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AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO ISOLAMENTO DE
BARRAMENTOS ESTATÓRICOS DE HIDROGERADORES
ELÉTRICOS SOB ESFORÇOS ELETROMECÂNICOS
Camilla Gonçalves Teixeira dos Santos
Projeto de Graduação apresentado ao
Curso de Engenharia Elétrica da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Sebastião Ércules Melo de
Oliveira.
RIO DE JANEIRO
Março de 2018
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO ISOLAMENTO DE
BARRAMENTOS ESTATÓRICOS DE HIDROGERADORES
ELÉTRICOS SOB ESFORÇOS ELETROMECÂNICOS
Camilla Gonçalves Teixeira dos Santos
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHAIRO ELETRICISTA.
Examinado por:
_____________________________________
Prof. Sebastião Ércules Melo de Oliveira.
Dr. Eng. (Orientador)
_____________________________________
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph. D.
_____________________________________
Eng. André Felipe Arpon Marandino
Guimarães.
RIO DE JANEIRO, RJ, BRASIL
Março de 2018
iii
Dos Santos, Camilla Gonçalves Teixeira.
Avaliação de Desempenho do isolamento de Barramentos
Estatóricos de Hidrogeradores Elétricos sob Esforços Eletromecânicos/
Camilla Gonçalves Teixeira dos Santos– Rio de Janeiro: UFRJ/Escola
Politécnica, 2018.
XIII, 45p.; il.:29,7cm.
Orientador: Sebastião Ércules Melo de Oliveira D.Eng.
Projeto de Graduação – UFRJ/Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Elétrica, 2018.
Referências Bibliográficas: p. 44-45.
1. Introdução. 2. Fundamentos Teóricos. 3. Testes. 4. Procedimento
Experimental 5. Resultados. 6. Conclusão 7. Referência bibliográfica. I.de
Oliveira, Sebastião Ércules Melo. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Avaliação
de desempenho do isolamento de barramentos estatóricos de
hidrogeradores elétricos sob esforços eletromecânicos.
iv
“O êxito da vida não se mede pelo caminho que você conquistou, mas sim pelas dificuldades que
superou no caminho. ”
― Abraham Lincoln
À minha avó (in memoriam) eu dedico esse trabalho...
v
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer, antes de tudo, a Deus - meu verdadeiro mestre. Todos os
sonhos realizados, as portas abertas e a força para superar os obstáculos vieram dele.
Agradecer à minha família, por ter acreditado e me dado o suporte ao longo de
todos esses anos e pela admiração, amor e carinho. Especialmente à minha mãe Maria
Angélica por sempre me incentivar, acreditar e cuidar de mim, ao meu pai Nilson por me
acompanhar, ser solicito e nunca hesitar no que precisei e ao meu irmão Caio por suprir
as minhas tarefas quando eu não tinha tempo.
Avó Aida, Tio, Tias e Primos vocês foram essências na minha formação e exemplo
de vida para mim.
Hoje Recapitulando os anos vividos na UFRJ sei que não conseguiria vencer todos
os obstáculos sem a amizade, apoio e parceria dos amigos que fiz ao longo da faculdade.
Foram tantos momentos difíceis, tantas conversas, provas, choros, risos que
compartilhamos e assim cada um foi deixando sua marca na minha história.
Principalmente o Bruno Chamma, pelos esporros, incentivos e caronas dadas. Você me
deu muita força para terminar e me jogar no mundo. Domingo Junior, que me
acompanhou desde o início, sempre prestativo a qualquer momento que eu precisasse. A
vida vai lhe dar todos os frutos que merece. André Arpon, que me ajudou bastante nas
matérias, em todas as minhas dúvidas e dificuldades. Você foi uma inspiração. Raphael
Napoli, que tornou meus dias mais leves e engraçados. Você compartilhou seus dias,
projetos e sonhos. E ao Guilherme Guimarães, meu melhor amigo e meu amor, em todos
os momentos vividos você esteve presente. Você foi meu ombro amigo, meu conselheiro,
você acreditou em mim, me incentivou, teve paciência e muito amor. Você foi o melhor
presente que a faculdade poderia me dar. Que sorte a nossa caminhar juntos.
Agradeço ao meu orientador Sebastião por todo o apoio dado á este trabalho e ao
longo da faculdade e todo o corpo docente da UFRJ.
E finalmente agradeço ao Cepel e seus funcionários, por me ajudar e disponibilizar
todo o material utilizado neste projeto de graduação. E com grande admiração, o Márcio
Sens que foi um verdadeiro professor.
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.
AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO DO ISOLAMENTO DE BARRAMENTOS
ESTATÓRICOS DE HIDROGERADORES ELÉTRICOS SOB ESFORÇOS
ELETROMECÂNICOS
Camilla Gonçalves Teixeira dos Santos
Março de 2018
Orientador: Sebastião Ércules Melo de Oliveira
Curso: Engenharia Elétrica
Este Projeto de Graduação tem o objetivo de analisar os barramentos
estatóricos de hidrogeradores para esforços elétricos e mecânicos.
A ideia de combinar vários esforços para representar os esforços reais de
uso, mas de modo mais intenso para acelerar os efeitos, sempre constituiu o anseio
dos técnicos em isolamento elétrico. Costuma-se acelerar o envelhecimento pela
elevação da tensão aplicada e da temperatura, outras vezes aplicam-se ciclos
térmicos sobre as barras ou bobinas estatóricas. O ideal seria combinar esforços
elétricos, térmicos e dinâmicos sobre os sistemas de isolamento elétrico, porém se
constitui uma dificuldade de quantificar o fator de aceleração para os esforços
múltiplos. Este trabalho enfoca apenas dois destes esforços: o elétrico e o
mecânico.
Foi realizado um teste experimental para medir os efeitos que o
envelhecimento acelerado causa nas propriedades elétricas. Após uma sequência
de ensaios realizados nas barras estatóricas foi avaliada a integridade dos seus
componentes elétricos e comparada com suas condições originais.
Palavras-chave: Isolamento; hidrogeradores; diagnóstico;
envelhecimento; vibrações; esforços conjugados.
vii
Abstract of the Undergraduate Project, presented to POLI/UFRJ as a partial
fulfillment of the necessary requirements to obtain the degree of Electrical Engineer.
EVALUATION OF HYDROGENERATOR STATOR BARS FOR ELECTRICAL
AND MECHANICAL STRESSES
Camilla Gonçalves Teixeira dos Santos
Março de 2018
Tutor: Sebastião Ércules Melo de Oliveira
Course: Electrical Engineering
This Graduation Project has the goal of analyzing hydrogenerator stator bars for
electrical and mechanical stresses.
The idea of combining various efforts to represent real use efforts but more
intensively so the effects can be accelerated has always been the desire of the Electrical
Insulation Technicians. Normally, the aging is accelerated by rising the tension of the
applied voltage and temperature, while other times thermal cycles are applied on the bars
or stator coils. Ideally, it should be combined electrical, thermal and dynamic efforts on
the electrical insulation systems, but it is difficult to quantify the acceleration factor of
the multiple efforts. This work focuses only on two of these efforts: the electrical and the
mechanical.
An experimental test was performed to measure the effects of accelerated aging
on electrical properties. After a sequence of tests performed on the stator bars, the
integrity of its electrical components was evaluated and compared to its original
conditions.
Keywords: Isolation; hydrogenerators; diagnosis; aging; vibrations; efforts
viii
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ......................................................................................................................... v
SUMÁRIO ........................................................................................................................................ viii
LISTA DE FIGURAS........................................................................................................................... x
LISTA DE TABELAS ......................................................................................................................... xii
LISTA DE SIGLAS ........................................................................................................................... xiii
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 1
1.1. MOTIVAÇÃO ............................................................................................................................... 1
1.2. JUSTIFICAVIVA .................................................................... ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO.
1.3. OBJETIVO ................................................................................................................................... 2
1.4 METODOLOGIA ........................................................................................................................... 3
1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ................................................................................................... 4
CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS ..................................................................................... 5
2.1. HIDROGERADORES E SEUS COMPONENTES ................................................................................. 5
2.2. O BARRAMENTO ESTATÓRICO DE HIDROGERADOR ..................................................................... 5
2.3. MECANISMO DE ENVELHECIMENTO DA BARRA ESTATÓRICA .................................................... 9
2.4. DEGRADAÇÃO DO ISOLAMENTO PRINCIPAL ............................................................................ 10
2.5. PROCESSOS DE ENVELHECIMENTO ACELERADO ....................................................................... 11
2.6. DESCARGAS PARCIAIS: TEORIA INICIAL ......................................................................................... 12
2.7. DESCARGAS PARCIAIS NO BARRAMENTO ESTATÓRICO .................................................................. 13
CAPÍTULO 3 – TESTES EXPERIMENTAIS ...................................................................................... 15
3.1. ENSAIOS E CONDICIONAMENTO DAS AMOSTRAS ...................................................................... 15
3.2. ENSAIOS REALIZADOS ANTES E APÓS O ENVELHECIMENTO ACELERADO ................................ 16
3.2.1 Limpeza das amostras ........................................................................................................ 16
3.2.2 Divisão da parte reta em 6 segmentos ................................................................................ 16
3.2.3 Resistência de blindagem ................................................................................................... 17
3.2.4 Percussão acústica ............................................................................................................. 19
3.2.5 Blindagem de Cobre ........................................................................................................... 20
3.2.6 Resistência Elétrica de isolamento ..................................................................................... 20
3.2.7 Índice de Polarização .............................................................................................................. 22
3.2.8 Capacitância e fator de dissipação em alta frequência ........................................................... 23
3.2.9 Descarga Parcial ..................................................................................................................... 25
CAPÍTULO 4 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ...................................................................... 27
4.1 MATERIAL UTILIZADO ...................................................................................................................... 27
4.2 CIRCUITO DE ENSAIO ........................................................................................................................ 27
4.2.1 Parte Mecânica .................................................................................................................. 29
ix
4.2.2 Parte Elétrica ..................................................................................................................... 30
4.3 MONTAGEM DA BARRA ESTATÓRICA NO SHAKER ............................................................................ 31
4.4 SINCRONISMO DA FREQUÊNCIA DA REDE COM A FREQUÊNCIA MECÂNICA. ..................................... 33
4.5 AJUSTES DOS PARÂMETROS .............................................................................................................. 34
CAPÍTULO 5 - RESULTADOS EXPERIMENTAIS ........................................................................... 36
5.1. RESISTÊNCIA DA BLINDAGEM .................................................................................................. 36
5.2 PERCUSSÃO ACÚSTICA .................................................................................................................. 36
5.3 RESISTÊNCIA ELÉTRICA DE ISOLAMENTO E ÍNDICE DE POLARIZAÇÃO ..................................... 37
5.4 CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO EM ALTA FREQUÊNCIA ................................................... 39
5.4.1 Relação Umidade x Capacitância ...................................................................................... 40
5.5 DESCARGA PARCIAL ..................................................................................................................... 42
CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES............................................................................................................. 43
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................................... 44
x
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - DESENHO ESQUEMÁTICO DE UM BARRAMENTO ESTATÓRICO TÍPICO PARA HIDROGERADOR DA
CLASSE 15 KV – MODELO A ................................................................................................................ 6
FIGURA 2 - DESENHO ESQUEMÁTICO DE OUTRO BARRAMENTO ESTATÓRICO TÍPICO PARA HIDROGERADOR –
MODELO B........................................................................................................................................... 6
FIGURA 3 - DESENHO ESQUEMÁTICO DE UMA BOBINA TÍPICA DE MOTOR SÍNCRONO. .................................... 7
FIGURA 4 - SEÇÕES TRANSVERSAIS DE ALGUMAS BARRAS E BOBINAS PARA HIDROGERADORES.................... 7
FIGURA 5 - DETALHES DO ISOLAMENTO E DOS MÚLTIPLOS CONDUTORES DO BARRAMENTO ESTATÓRICO. ... 8
FIGURA 6 - INSERÇÃO DAS BARRAS ESTATÓRICAS NO NÚCLEO MAGNÉTICO DO HIDROGERADOR. ................. 8
FIGURA 7 - DETERIORAÇÃO, ÁREAS DE DESCARGAS INTERNAS ................................................................... 14
FIGURA 8 - REGIÃO DE SALIÊNCIA DA BOBINA ............................................................................................ 14
FIGURA 9 - SECÇÃO CRUZADA ESQUEMÁTICA DA BARRA DO GERADOR E LOCAIS DE DESCARGA ................. 15
FIGURA 10 - LIMPEZA DA AMOSTRA ............................................................................................................ 16
FIGURA 11 – DIVISÃO EM 6 SEGMENTOS CONGRUENTES ............................................................................. 17
FIGURA 12 - MEDIÇÃO DO PERÍMETRO DA CAMADA PRETA ......................................................................... 17
FIGURA 13 – APARELHO DE COMPRIMENTO AJUSTÁVEL ............................................................................. 18
FIGURA 14 - CIRCUITO DE MEDIÇÃO ........................................................................................................... 18
FIGURA 15 -VOLTÍMETRO MULTIPROCESSADOR ......................................................................................... 19
FIGURA 16 - APLICAÇÃO DO BASTÃO DE IMPACTO NA AMOSTRA ................................................................ 19
FIGURA 17 - MALHA DE COBRE ESTANHADO . ............................................................................................. 20
FIGURA 18 - APARATO EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 21
FIGURA 19 - APARELHO TERAOHMÍMETRO – 5 KV – VANGUARD INSTRUMENTS. ...................................... 22
FIGURA 20 - APARATO EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 23
FIGURA 21 - CAPACITOR DE 1000 PF ........................................................................................................... 24
FIGURA 22 - PRECISION INDUCTANCE ANALYZER 3245 – WAYNE KERR ..................................................... 24
FIGURA 23 - CIRCUITO PARA DETECÇÃO DAS DESCARGAS PARCIAIS, MEDIÇÃO DE CAPACITÂNCIA E FATOR
DE DISSIPAÇÃO................................................................................................................................... 25
FIGURA 24 - CIRCUITO DAS BARRAS DENTRO DA GAIOLA DE FARADAY ...................................................... 26
FIGURA 25 - DETECÇÃO DE DESCARGAS PARCIAIS AO LONGO DA AMOSTRA ............................................... 26
FIGURA 26 - CIRCUITO DE ENSAIOS PARA COMPRESSÃO CÍCLICA E TENSÃO APLICADA ............................. 28
FIGURA 27 - SISTEMA DE VIBRAÇÕES MECÂNICAS DE BARRAS SOB ALTA TENSÃO E CORRENTE DE
AQUECIMENTO. ................................................................................................................................. 29
FIGURA 28 - SISTEMA DE CONEXÃO DO AMPLIFICADOR COM O SHAKER E AS BARRAS ESTATÓRICAS. ...... 30
FIGURA 29 - VISTA SUPERIOR DA MONTAGEM DAS BARRAS NO SHAKER .................................................... 31
FIGURA 30 - BOBINA ESTATÓRICAS ACOPLADA AO SHAKER ........................................................................ 32
FIGURA 31 - MODO DE FIXAÇÃO DAS BARRAS NO CABEÇOTE DE VIBRAÇÃO MECÂNICA .......................... 32
FIGURA 32 - DETALHE DO APOIO DORSAL DAS BARRAS – MOLAS E CUNHAS ............................................ 33
FIGURA 33 - VISTA LATERA DO APOIO DORSAL DAS BARRAS – MOLAS E CUNHAS .................................... 33
xi
FIGURA 34 - SINAL ELÉTRICO E MECÂNICO SINCRONIZADO NO OSCILOSCÓPIO ........................................... 34
FIGURA 35 - TENSÃO NOMINAL DE 13,8 KV. .............................................................................................. 35
FIGURA 36 - PROGRAMA COMPUTACIONAL COM OS VALORES DO GERADOR DE FUNÇÕES. ......................... 35
FIGURA 37 - RESULTADOS DA CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO NA AMOSTRA ÚMIDA. ................... 40
FIGURA 38 - RESULTADOS DA CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO NA AMOSTRA SECA. ...................... 41
FIGURA 39 - RESULTADOS DA CAPACITÂNCIA E FATOR DE DISSIPAÇÃO NA AMOSTRA MAIS SECA. ............. 41
FIGURA 40 - DISPLAY DO DETECTOR DE DESCARGA PARCIAL. .................................................................. 42
xii
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - LISTA DE ENSAIOS REALIZADOS NAS BARRAS ESTATÓRICAS ................................................... 15
TABELA 2 - CUSTO DOS COMPONENTES ....................................................................................................... 36
TABELA 3 - MEDIÇÕES NA BARRA 022 ORIGINAL ........................................................................................ 36
TABELA 4 - MEDIÇÕES NA BARRA 022 APÓS 50 HORAS DE VIBRAÇÃO ......................................................... 37
TABELA 5 - REGISTRO MÉDIO NA BARRA 022 ANTES E APÓS A VIBRAÇÃO .................................................. 37
TABELA 6 - MEDIÇÕES NA BARRA 022 ORIGINAL ........................................................................................ 37
TABELA 7 - MEDIÇÕES NA BARRA 022 ORIGINAL ........................................................................................ 38
TABELA 8 - ÍNDICE DE POLARIZAÇÃO. ......................................................................................................... 38
TABELA 9 - RESISTÊNCIA, ÍNDICE DE POLARIZAÇÃO E ESTADO DAS AMOSTRAS. ........................................ 39
TABELA 10 - REGISTROS DO FATOR DE DISSIPAÇÃO EM 1000 HZ E 5 V. ...................................................... 39
TABELA 11 - REGISTROS DA CAPACITÂNCIA EM 1000 HZ. ........................................................................... 39
TABELA 12 - VALORES DE DESCARGAS PARCIAIS ANTES E APÓS OS ENSAIOS DE VIBRAÇÃO ....................... 42
xiii
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
CEPEL Centro de Pesquisa de Energia Elétrica
CIGRÉ Comitê Internacional de Produção e Transmissão de Energia
Elétrica
IP Índice de Polarização
UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro
1
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
1.1. Motivação
A evolução e crescimento dos sistemas elétricos têm sido acompanhados pelo
aumento do grau de complexidade e interdependência entre seus diversos elementos
constitutivos. Isso caracteriza um novo desafio, tanto ao nível de operação dos sistemas,
quanto para o setor de equipamentos e materiais. As exigências de confiabilidade e
eficiência ganham, a cada dia, novas dimensões.
Nesse âmbito, ao mesmo tempo em que aumentou-se a facilidade de licitações
para a compra e montagem de hidrogeradores e turbogeradores, aumentou-se também a
preocupação dos compradores e responsáveis pelo empreendimento com a garantia e
qualidade de cada componente.
A fabricação de barras estatóricas para hidrogeradores podem apresentar falhas
devido ao material utilizado na sua construção ou mesmo na operação destas máquinas.
A cada dia torna-se mais frequente a solicitação, por compradores, de ensaios para
verificar as propriedades do material e assegurar a qualidade das barras quando em
operação.
Para a quase totalidade dos grandes equipamentos elétricos, o envelhecimento de
materiais isolantes constitui frequentemente o ponto mais crítico para a sua vida útil [3].
O mesmo ocorre nos hidrogeradores, que tem como um dos seus elos mais fracos o
isolamento das barras estatóricas.
O isolamento de uma barra estatórica sofre em diversas e severas solicitações, cuja
atuação de maneira individual ou combinada, resulta em uma vasta gama de processos de
degradação.
Justifica-se o interesse pelos ensaios de integração dos componentes elétricos por
serem de altíssimo custo e de difícil substituição. Além disso, como há um grande número
de concorrentes no mercado, na hora de avaliar os tradicionais e novos fabricantes, é
imprescindível atestar a qualidade do equipamento. Apenas com ensaios bem elaborados
é possível atestar, de maneira relativa, a qualidade do material.
2
1.2. Justificativa
Quanto aos aspectos de manutenção de hidrogeradores, considera-se de suma
importância o bom armazenamento de diversos componentes de alta fragilidade, como de
barramentos estatóricos isolados em produtos micáceos. Armazenamentos em condições
de alta umidade constituem negligência operativa. Em qualquer caso, antes de substituir
um barramento falhado por outro do estoque de reserva, recomenda-se avaliações
criteriosas do estado do isolamento, através de sistema de diagnóstico e avaliação da vida
remanescente dos equipamentos, como os tratados neste trabalho.
Não foi encontrada literatura sobre ensaios de envelhecimento acelerado em
barramentos isolados para hidrogeradores por esforços elétricos combinados com
vibrações mecânicas, simultâneos, em condições de sincronismo, como de fato ocorrem
nas máquinas em operação.
Por ser um trabalho experimental ainda não realizado, apresentou algumas
restrições no seu desenvolvimento. No entanto, os ensaios simularam os desgastes que a
barra estatórica, em operação, sofre ao longo do tempo de maneira similar aos reais de
uso.
1.3. Objetivo
O presente trabalho trata do desenvolvimento de um procedimento para
envelhecimento de barras estatóricas de hidrogeradores e análise de descargas parciais e
das propriedades elétricas destas barras, antes e após o envelhecimento. Neste âmbito
podem-se enunciar os seguintes objetivos:
Desenvolver aparato experimental para envelhecimento eletromecânico
acelerado, em condição de simulação realista das condições de trabalho, do
material isolante em barras estatóricas de hidrogeradores.
Realizar sequência de ensaios e análises para o levantamento das características
elétricas e dielétricas do sistema e comparar os resultados antes e após a vibração
ao longo do tempo.
3
Focalizar descargas parciais como indicativo do envelhecimento e degradação do
material isolante e gerar um diagnóstico pontual, bem como uma avaliação
histórica, o que permite classificar, bem como antever falhas prematuras ou
inesperadas, provenientes de descargas parciais.
1.4 Metodologia
A estrutura do trabalho pode ser dividida em duas partes, sendo uma experimental
– envelhecimento acelerado por teste eletromecânico de duas barras estatóricas, e outra
analítica – fazendo ensaios, medições e comparações das propriedades elétricas e
descargas parciais ao longo do tempo.
O envelhecimento acelerado das barras foi obtido com um ensaio eletromecânico.
Aplicou-se uma tensão de 13,8 KV na frequência de 60 HZ na extremidade de duas barras
estatóricas isoladas em mica e fibra de vidro resinada, fixas uma com a outra, e ao mesmo
tempo o conjunto foi submetido às vibrações através de uma máquina vibratória-
denominado por shaker.
O sincronismo foi obtido com o uso de um gerador de funções através do seu
trigger, com isso acelerou o envelhecimento e foi possível obter resultados mais
satisfatórios da influência que o envelhecimento causa na deterioração do equipamento
por simular uma condição real de uso. Na prática, as vibrações são sempre sincronizadas
com a rotação da máquina e esta com a frequência da corrente gerada.
Os efeitos que o envelhecimento causa nas propriedades elétricas são medidos
através dos ensaios e análises de investigação experimental. A sequência de ensaios
realizados nas barras permitiu fazer uma avaliação da integridade dos componentes
elétricos após um determinado número de ciclos de vibração, comparando-se com as
condições originais.
Para a detecção de tais falhas foram realizados ensaios como de capacitância e
fator de dissipação, resistência elétrica de isolamento, descargas parciais, entre outros,
que são eficazes de maneira genérica, não permitindo a localização da ocorrência onde a
falha pode se manifestar nas barras ou bobinas, e ensaios como percussão acústica e
4
detecção do ruído acústico, proveniente de descargas parciais, em que é possível a
localização da ocorrência de falha das amostras.
Medições sistemáticas de descargas parciais foram realizadas para a monitoração
do envelhecimento. Essas medições foram feitas com um sistema tradicional utilizado no
setor elétrico.
1.5 Organização do Trabalho
O Capítulo 1 é a introdução do projeto, apresentando a motivação, justificativa,
metodologia, objetivos e estrutura do trabalho.
No Capítulo 2 são apresentados os fundamentos teóricos, contendo as definições
das barras estatóricas, bem como o processo de envelhecimento e as descargas parciais.
No Capítulo 3 são apresentadas características dos testes aplicados antes e após a
vibração.
No Capítulo 4 é composto todo o procedimento experimental realizado no Cepel.
No Capítulo 5 são apresentado os resultados dos testes mencionados no capítulo
3
E por último as conclusões serão apresentadas no Capitulo 6.
5
CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. Hidrogeradores e seus componentes
Os hidrogeradores são máquinas rotativas síncronas de correntes alternadas que
convertem em energia elétrica a energia mecânica disponibilizada no eixo pela turbina
hidráulica. Eles são formados por 2 enrolamentos elétricos distintos denominados
enrolamento de campo e enrolamento da armadura.
O enrolamento de campo está localizado na parte móvel da máquina, conhecida
como rotor. O enrolamento de armadura está localizado nas ranhuras distribuídas pela
circunferência do núcleo estatórico, a parte fixa do gerador. O enrolamento do estator é
composto por condutores interligados através de conexões externas à ranhuras,
denominados de barras estatóricas.
2.2. O barramento estatórico de hidrogerador
O barramento estatórico de um hidrogerador se constitui no condutor de cobre
isolado em mica, tecido de vidro e resina epóxi, que se aloja nas canaletas do núcleo
magnético do gerador elétrico. Esses três materiais são utilizados devidos as suas
características, apresentadas abaixo, que justificam seu emprego:
A mica, apesar de ser um material frágil, apresenta notáveis características
de suportabilidade térmica e dielétrica, inércia química e inflamabilidade
que a destacam dentre todos os dielétricos. Além disto, é extremamente
resistente aos efeitos da descarga parcial e possui boa condutividade
térmica.
O tecido de vidro possui grande flexibilidade, além de resistência a ação
de descargas parciais.
A resina epóxi se destaca com superioridade dentre as demais resinas
termorrígidas, pois ela apresenta um eficiente material aglutinador sendo
responsável pela coesão do conjunto. Destacando ainda suas excelentes
características dielétricas, propriedades químicas e térmicas.
6
Os geradores podem conter bobinas estatóricas, completas, com três ou mais
espiras, ou conter barras simples, que em duplas formam as espiras. As barras, ou
barramentos, possuem modelos inferiores e superiores, sendo que o par forma uma espira
completa do bobinado magnético do gerador elétrico. Estas barras têm uma parte reta,
isolada e blindada, que se alojam propriamente nas ranhuras magnéticas lineares, e pelo
menos duas partes curvas, ou de terminações. As terminações possuem isolamento
diferenciado da parte reta, pois incorporam sistema de alívio de campo elétrico. Cada
fabricante usa suas próprias formulações para configurar o sistema de isolamento
terminal. Nas extremidades das barras estatóricas os condutores, múltiplos, são
conectados por soldagem em paralelo. Mas ao longo da barra ou da bobina, os múltiplos
condutores são isolados entre si. Sua forma física básica constituída de acordo com a
figura 1 e 2.
Figura 1 - Desenho esquemático de um barramento estatórico típico para gerador da classe 15 KV –
Modelo A
Figura 2 - Desenho esquemático de outro barramento estatórico típico para gerador – Modelo B
A Figura 3 mostra a configuração de uma bobina, típica, de um gerador síncrono.
7
Figura 3 - Desenho esquemático de uma bobina típica de gerador síncrono.
As seções transversais de algumas barras estatóricas e de uma bobina são
mostradas na Figura 4.
Figura 4 - Seções transversais de algumas barras e bobinas para hidrogeradores.
A montagem completa de uma barra estatórica inclui não só o complexo arranjo
de condutores transpassados, para reduzir a circulação de correntes parasitas internas às
barras, como também um complexo sistema de isolamento e blindagem, como mostrado
na Figura 5.
A figura também mostra a ranhura de aço magnético, onde se alojam as barras
estatóricas, os calços, as cunhas e as molas de aperto das barras na ranhura.
8
A localização destes barramentos estatóricos no núcleo magnético dos
hidrogeradores pode ser visualizada na Figura 6, onde se observam as barras inseridas em
ranhuras e que existem duas barras por ranhura, uma inferior, que entra primeiro e outra
superior, que entra por cima da primeira se interligando em uma das extremidades.
Figura 5 - Detalhes do isolamento e dos múltiplos condutores do barramento estatórico.
Figura 6 - Inserção das barras estatóricas no núcleo magnético do hidrogerador.
9
2.3. Mecanismo de Envelhecimento da Barra Estatórica
O isolamento de uma barra estatóricas sofre em serviço diverso e severas
solicitações mencionadas a seguir e cuja atuação, de maneira individual ou combinada,
resulta em uma vasta gama de processos de degradação:
Solicitações térmicas, devido ao efeito Joule nos condutores de cobre, ao
aquecimento proveniente das perdas no núcleo, e aspectos tecnológicos
referentes aos sistemas de ventilação empregados.
Solicitações mecânicas, devido às forças eletromagnéticas entre as barras,
á vibração de outros componentes (rotor, turbina), à magnetostrição do
núcleo de aço, e aos diferentes coeficientes de dilatação do cobre e do
isolamento.
Solicitações elétricas em função do campo elétrico entre os condutores e o
núcleo.
Solicitações ambientais decorrentes da presença de poluentes químicos,
óleos lubrificantes, poeira, umidade, entre outros.
Embora todos os processos de degradação afetem a vida útil do barramento como
um todo, as peculiaridades de cada processo definem uma localização ou uma parte do
barramento onde cada uma ocorre, bem como sintomas por vezes determinados. Assim,
por exemplo, podemos citar as descargas de ranhuras, descritas por [13]:
O sistema de fixação das barras estatóricas ao núcleo é composto por estecas ou
cunhas (em função da geometria) e calços confeccionados em material isolante – Celeron,
os mais antigos e poliéster ou epóxi os mais atuais. Os sistemas mais novos utilizam-se
também de molas (Ripple Springs) para pressionar as barras e fixa-las às ranhuras. A
degradação de um ou mais componentes de fixação, decorrente da interação
eletromecânica entre barras adjacentes, ou ainda pela ação da temperatura, implica na
redução da pressão que comprime as barras à parede da ranhura. A barra, ou parte dela,
perde o contato com o núcleo, criando-se bolsas de ar sujeitas a descargas elétricas. Estas
descargas, além de gerarem quantidades consideráveis de ozônio, podem degradar de
maneira relativamente rápida o isolamento principal da barra.
10
A degradação da tinta semicondutora que recobre a barra no interior da ranhura
também pode causar a ocorrência de descargas de ranhura, mesmo que o sistema de
fixação da barra se encontre íntegro. Neste caso, o processo de degradação do isolamento
principal ocorrerá de maneira bem mais lenta, se comparada ao processo anterior.
A intenção deste trabalho não é esgotar todos os mecanismos de degradação que
a barra estatóricas é sujeita, mas sim concentrar o foco na degradação do seu isolamento
principal.
O isolamento principal, cuja degradação, pesar de normalmente lenta, é
irreversível e irrecuperável, apresenta ainda hoje um vasto campo de possibilidades e
necessidades, especialmente no que tange à avaliação de sua condição e determinação do
grau de avanço de sua deterioração. O isolamento principal é, em última análise, o
determinante da vida útil da barra estatóricas.
2.4. Degradação do Isolamento Principal
O processo de degradação do isolamento principal das barras estatóricas é um
fenômeno extremamente complexo. Fatores como a ação individual de cada solicitação,
as interações entre as diversas solicitações, a dualidade de causa e efeito, a complexidade
do próprio isolamento e de seu processo de produção, prolongam a discussão a respeito
da modelagem física do envelhecimento deste componente. Não restam dúvidas quanto à
ocorrência do processo de delaminação e a sua importância nas falhas do isolamento
principal do barramento estatórico.
Através do seu relatório, a Cigré [1] sugere que o processo de falha do isolamento
em máquinas de construção recente não possui normalmente origem elétrica, mas deriva
de outros mecanismos. Vibração excessiva nas terminações das barras, afrouxamento das
barras no interior das ranhuras, afrouxamento nas terminações das barras, falhas na
pintura semicondutora, baixa qualidade de fabricação (barras inferiores a 1970) podem
originar a falha do isolamento. Outros autores como Mc Dermid [6] não são tão
categóricos. Ele pondera que em certos casos as descargas parciais no interior do
isolamento principal apresentam sérios riscos à integridade da barra. Verifica-se, todavia,
um consenso de que o isolamento tem evoluído para um nível de qualidade bastante
11
elevado e que, salvo problemas eventuais de processo, a origem das falhas advém de
fatores externos ao mesmo.
Não obstante, é também consenso a fundamental importância do
acompanhamento das condições do isolamento principal da barras estatóricas pois o
mesmo constitui-se, conforme já mencionado, no fator crítico da vida útil da mesma.
Além disso, ressalta-se que o alto nível de qualidade atingido pelo isolamento é recente,
ao passo que as máquinas hoje em operação apresentam uma média em torno de vinte
anos de instalação.
2.5. Processos de envelhecimento Acelerado
Embora o processo de envelhecimento do isolamento das barras possua suas
peculiaridades, alguns conceitos básicos comuns podem ser apresentados de forma
genérica. A caracterização do envelhecimento implica, obviamente, no levantamento de
dados ao longo de toda a vida do equipamento. Por outro lado, a longa vida útil do
isolamento dos equipamentos elétricos torna difícil tal levantamento em tempos realistas.
Torna-se evidente a necessidade de acelerar em laboratório o envelhecimento dos
mesmos.
A maioria dos trabalhos publicados sobre envelhecimento acelerado são
extremamente restritos pelo fato de abordarem solicitações únicas. A extrapolação destes
modelos para outros que se aproximem das condições de serviço, em que o isolamento
está sujeito a múltiplas solicitações, não é trivial. Isto se deve, em grande parte, ao
sinergismo resultante das interações das solicitações.
A busca de soluções para a necessidade de avaliação das condições de um
isolamento ao longo de sua vida em serviço tem trilhado nos equipamentos de potências
em geral e nos hidrogeradores de modo especialmente marcante, o caminho da análise
das descargas parciais.
12
2.6. Descargas Parciais: Teoria Inicial
Descargas Parciais podem ser definidas como micro-descargas elétricas não
visíveis que estão no interior de equipamentos (material isolante entre 2 condutores), que
quando submetidos a grandes valores de tensão, essas descargas são causadas por uma
avalanche de elétrons ionizados.
As descargas parciais recebem esse nome, pois são descargas localizadas, elas não
percorrem todo o caminho entre os condutores.
Em casos de dielétricos líquidos as descargas ocorrem pela ionização de gases em
seu interior, no caso de dielétricos sólidos as descargas são produzidas pela ionização de
pequenas cavidades de ar no interior do dielétrico, e no caso dos gases, pela ionização das
moléculas de gás que se encontram nos pontos de maior potencial elétrico.
A unidade mais utilizada para medir descargas parciais é o picocoulomb (pC),
pois a carga é proporcional à energia destrutiva liberada no local da descarga.
De acordo com a norma ABNT NBR 6940 / 81, a medição das descargas parciais
é feita por três motivos:
Para verificar se o material isolante, numa tensão especificada, não
apresenta descargas parciais acima dos valores especificados.
Para determinar os valores de tensão nos quais descargas de uma
intensidade baixa especificada se iniciam com tensão crescente e cessam
com tensão decrescente.
Para verificar a magnitude das descargas parciais numa tensão
especificada.
A detecção das descargas parciais (DP) tem se mostrado uma eficiente ferramenta
para diagnosticar a integridade do isolamento de altas tensões.
Uma das motivações de se medir as descargas parciais é determinar a relação entre
as descargas e a expectativa útil do dielétrico e tentar estipular a duração do equipamento
antes que seja necessária alguma intervenção, pois a intensidade das descargas parciais
pode reduzir drasticamente a vida útil do material.
13
2.7. Descargas Parciais no Barramento Estatórico
A atividade das descargas parciais é, ao mesmo tempo, um sintoma dos defeitos
(degradações) presentes nos sistemas de isolação e um mecanismo que acelera a própria
degradação [4].
A maioria dos defeitos causadores das DPs nos enrolamentos do estator é
resultado da deterioração da sua isolação. Dentre os fatores que contribuem para essa
degradação, destacam-se: o sobre-aquecimento, o ataque químico do ambiente e a abrasão
devido ao movimento excessivo da bobina nos terminais dos enrolamentos.
Sob a ação dessas agressões, a resina de mica-epóxi perde suas propriedades
colantes e algumas bolsas de ar podem ser criadas no sistema de isolamento, permitindo
que os condutores vibrem uns contra os outros. Isso leva ao desgaste da camada isolante
e, consequentemente, ao surgimento das correntes de defeito. Outro problema ocorre
quando a poluição, parcialmente condutiva de umidade ou óleo, em combinação com a
sujeira, deposita-se nas superfícies das bobinas, criando um caminho elétrico que,
eventualmente, perfura o isolamento e gera as DPs.
Como aceleradoras do processo de envelhecimento, as descargas parciais no
enrolamento do estator podem causar um dano consideravelmente grande no sistema de
isolamento. Elas causam a erosão do material isolante no momento da faísca,
carbonização, formação de ozônio e, até mesmo, ácidos nitrogênio-base através de
reações químicas. Essa isolação, embora constituída de mica, quando submetida às
descargas parciais intensas e frequentes, pode sofrer avarias ao longo do tempo.
O fenômeno de descargas parciais pode ocorrer:
1. Dentro da isolação principal (chamadas de descargas internas), como
resultado do surgimento de vazios causados pela perda ou incompleta cura
do material de união (vide Figura 7).
14
Figura 7 - Deterioração, áreas de descargas internas
2. Na região onde a bobina sai da ranhura, devido à mudança de potencial ao
longo da superfície da bobina entre a porção aterrada ao núcleo e a porção
não aterrada (vide Figura 8)
Figura 8 - Região de saliência da bobina
3. Na barra do estator, sendo que o mais comum é a ocorrência de descargas
na junção entre o material isolante e a barra e no interior do dielétrico
(Figura 9).
15
Figura 9 - Secção cruzada esquemática da barra do gerador e locais de descarga
CAPÍTULO 3 – TESTES EXPERIMENTAIS
3.1. Ensaios e Condicionamento das Amostras
Os testes aplicados em barras estatóricas dependem muito das finalidades
específicas, mas de maneira geral não se distingue dos testes que foi realizado nas barras
antes e após o envelhecimento acelerado deste experimento. A tabela 1 mostra a
sequência de ensaios realizados
Tabela 1 - Lista de Ensaios Realizados nas Barras Estatóricas
ORDEM ENSAIOS
1 Limpeza das amostras
2 Divisão da parte reta em 6 segmentos
3 Resistência de blindagem
4 Percussão Acústica
5 Resistência de blindagem
6 Capacitância em alta frequência
7 Descarga Parcial
16
Estes ensaios são feitos na barra de forma como ela é recebida, sem qualquer
preparação ou condicionamento prévio. Entretanto, quando os ensaios preliminares
indicam elevada umidade, as amostras podem ser submetidas ao tratamento prévio de
secagem por corrente elétrica ou por placas térmicas antes da aplicação de alta tensão.
Os ensaios devem ser todos conduzidos em ambiente de laboratório, blindado contra
interferências eletromagnéticas, sob temperatura de 23 ± 2°C e umidade relativa de 40 a
60% para que se aproxime ao máximo com as condições em que a barra funciona.
3.2. Ensaios Realizados Antes e Após o Envelhecimento Acelerado
3.2.1 Limpeza das amostras
Inicialmente é feito a limpeza por toda a extensão da barra com pincel, aspirador
de pó e flanela de algodão para a retirada de poeira e resíduos.
Figura 10 - Limpeza da amostra
3.2.2 Divisão da parte reta em 6 segmentos
Para permitir identificar comportamentos diferenciados entre as partes das
amostras, a parte reta da barra é marcada em 6 segmentos equidistantes com tinta branca
solúvel em água.
17
Figura 11 – Divisão em 6 segmentos congruentes
3.2.3 Resistência de blindagem
A medição da resistência da blindagem é feita através de um aparelho de
comprimento ajustável. Os eletrodos de medição devem ser metálicos e flexíveis, sendo
distanciados de um perímetro da seção transversal das amostras. Conforme mostram as
figuras 12 e 13.
Figura 12 - Medição do Perímetro da camada preta
18
Figura 13 – Aparelho de comprimento Ajustável
A resistência elétrica é determinada em corrente contínua de 1,0 miliampère,
através da medição da queda de tensão por multímetro digital de precisão. A corrente
deve ser aplicada entre as extremidades da camada semicondutiva da blindagem, na parte
reta das amostras. Para isto, podem ser utilizados os condutores de cobre das amostras
para o retorno da corrente, minimizando os cabos e as interferências externas.
Figura 14 - Circuito de Medição
19
Figura 15 -Voltímetro Multiprocessador
3.2.4 Percussão acústica
O teste de percussão acústica tem como objetivo aplicar impactos na barra à
procura de vazios. O ensaio consisti na detecção do sinal acústico através de sensor
piezelétrico, ao impacto da esfera de aço com energia de 16 mJ. Os resultados são tratados
para que o maior sinal resulte em 100% para uma análise relativa de solidez das amostras.
Desta análise resulta a detecção de possíveis pontos de delaminação inicial.
Figura 16 - Aplicação do bastão de impacto na amostra
A barra possui 2 lados e foi inicialmente dividida em 6 segmentos com tamanhos
equivalentes de acordo com o teste 2, em cada um dos segmentos da barra são feitos 10
20
impactos com o bastão de impacto. A medição da percussão acústica é feita pelo
voltímetro que apresenta os valores máximos e médios de cada segmento
3.2.5 Blindagem de Cobre
A parte reta das amostras é blindada com malhas condutoras e metálicas para
permitir a aplicação de alta tensão nas amostras e efetuar análise dos dielétricos. A figura
17 ilustra o modo como são blindadas as barras e bobinas para o aterramento, com malha
de cobre estanhado.
Figura 17 - Malha de cobre estanhado.
3.2.6 Resistência Elétrica de isolamento
O teste de Resistência Elétrica tem como objetivo identificar as possíveis
irregularidades pela resistência elétrica das barras ou a coerência entre si, uniformidade
das partes condutoras e das soldagens entre condutores elétricos elementares nos
terminais das barras.
Estas barras são ensaiadas quanto à resistência elétrica dos condutores de cobre.
21
A corrente circulante na barra estatórica divide-se em duas: Corrente superficial e
Corrente volumétrica. Para se obter a resistência de isolamento, ignora-se a corrente
superficial e usa-se somente a corrente volumétrica.
O ensaio é feito aterrando-se as duas extremidades da barra e aplicando-se uma
tensão de 1000 Volts de corrente contínua em uma das extremidades. O aterramento é
feito para desconsiderar a corrente superficial da barra e permitir a circulação apenas da
corrente volumétrica.
A medição é feita através do Aparelho TeraOhmímetro – 5 KV – Vanguard
instruments. É conectada a ponteira positiva em uma das extremidades da barra, a ponteira
negativa no fio de cobre que fica no centro da barra e a terceira ponteira, que representa
o cabo guarda, é colocado entre o gap e a extremidade da barra.
Figura 18 - Aparato Experimental
22
Figura 19 - Aparelho TeraOhmímetro – 5 KV – Vanguard instruments.
3.2.7 Índice de Polarização
Um método para determinar a qualidade de isolação é usar o teste de índice de
polarização (IP). Ele é particularmente valioso no descobrimento de umidade e entrada
de óleo que possuem um efeito de achatamento na curva do IP, gerando corrente de fuga
e eventualmente circuitos em curto. O índice de polarização é a proporção de duas leituras
de tempo-resistência: uma é tomada depois de 1 minuto e a outra depois de 10 minutos.
Com boa isolação, a resistência de isolação começa baixa e cresce à medida que a corrente
de fuga capacitiva diminui. Resultados são obtidos dividindo-se o valor de teste de 10
minutos pelo valor de teste de 1 minuto. Um índice de polarização baixo indica problemas
com a isolação.
Este teste quando realizados periodicamente, servem, também, para comparar a
gradual deterioração do material isolante, comparando-se os resultados das diversas
medições realizadas ao longo do tempo.
Ip =Ri10
Ri1
23
Onde Ri10 indica o tempo de resistência em 10 minutos e Ri1 indica o tempo de
resistência em 1 minuto.
3.2.8 Capacitância e fator de dissipação em alta frequência
Esses ensaios preliminares são realizados para verificar alguma anomalia
grosseira nas amostras e possibilitar o dimensionamento do sistema de ensaios sob altas
tensões, permitindo identificar níveis de corrente e capacitores de referência a serem
realizados. Estas medições de capacitância e de fator de dissipação são efetuadas com
tensão alternada de 5 volts e frequência de 1000 Hz.
A medição é feita com precision inductance analyzer 3245 – Wayne Kerr
conforme mostrado na Figura 22.
Figura 20 - Aparato Experimental
24
Figura 21 - Capacitor de 1000 pF
E
Figura 22 - Precision inductance analyzer 3245 – Wayne Kerr
25
3.2.9 Descarga Parcial
As descargas parciais, utilizando técnicas convencionais, são detectadas para as
tensões de até 1,2. Vn, através do circuito mostrado na Figura 23. Para estes ensaios são
requeridas medições sob alta tensão, com a utilização de fontes de baixo nível de
descargas parciais e capacitores com isolamento a gás de reduzidas perdas dielétricas.
Figura 23 - Circuito para detecção das descargas parciais, medição de capacitância e fator de dissipação.
Devem ser registradas as máximas descargas parciais detectadas em cada nível de
tensão e as tensões de início e extinção das descargas parciais. A montagem das barras
para medição de descargas na gaiola de Faraday é vista na Figura 24
26
Figura 24 - Circuito das barras dentro da gaiola de Faraday
As descargas parciais ao longo da amostra podem ser analisadas por meios
acústicos, com sensores piezelétricos ultrassônicos, na banda de 36 kHz a 44 kHz.
Figura 25 - Detecção de Descargas parciais ao longo da amostra
27
CAPÍTULO 4 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
4.1 Material Utilizado
Os fabricantes de hidrogeradores, Voight Siemens e Alstom, forneceram amostras
e acessórios para as montagens experimentais, assim como o Cepel, onde foi realizado o
experimento.
Abaixo segue a listagem do material utilizado neste experimento:
4 barras estatóricas de hidrogeradores com 2,1 m. de comprimento
4 placas de alumínio de 30 x 15 cm e 1 placa de alumínio de 60x30 cm
Parafusos ¾ com rosca.
4 Placas de madeira
Máquina vibratória - Shaker
Amplificador
Pulse
Condicionador
Acelerômetro
Osciloscópio
Transformador
Capacitor
Filtro de Alta tensão
Impedância de Medição
Computador
4.2 Circuito de Ensaio
Nesta primeira etapa dos trabalhos, dois barramentos estatóricos para
hidrogeradores, novos, de boa qualidade, isolados para 13,8 kV, foram selecionados para
os ensaios.
28
O envelhecimento acelerado das barras foi obtido com um ensaio eletromecânico.
Aplicou-se uma tensão de 13,8 KV na frequência de 60 HZ na extremidade de duas barras
estatóricas isoladas em mica e fibra de vidro resinada, fixas uma com a outra, e ao mesmo
tempo o conjunto foi submetido às vibrações através de uma máquina vibratória
denominada por shaker.
A montagem para aplicação de esforços de compressão dorsal nas amostras de
barras, simultaneamente com tensão aplicada, é mostrada na Figura 26. Na Figura 27 o
mesmo sistema para aplicação ainda de corrente e flexão.
Figura 26 - Circuito de Ensaios para Compressão Cíclica e Tensão Aplicada
29
Figura 27 - Sistema de Vibrações Mecânicas de Barras sob Alta Tensão e Corrente de Aquecimento.
O teste utilizou os esforços mecânicos e elétricos para representar os esforços reais
de uso, porém de modo mais intenso, para acelerar os efeitos. Abaixo segue a descrição
dos equipamentos utilizados em cada esforço.
4.2.1 Parte Mecânica
O amplificador tem a função de acionar o Shaker.
O shaker é responsável pela vibração do conjunto que prende as barras. Na sua
base existe uma válvula que deve ser aberta o suficiente para que o gás
comprimido suspenda as barras e as sustente de modo a acionar o equipamento.
Amplificado
r
Shaker Pulse Condicionador
or
Acelerômetro Programa
Computacional
30
O acelerômetro sai do centro do conjunto que prende as barras e conecta no
pulse que conecta no condicionador e vai para o gerador de sinais.
O programa computacional faz a leitura do sinal através do pulse. O sinal
enviado pelo gerador de funções é observado pelo osciloscópio e pelo programa
computacional.
O sistema de Conexão do amplificador com o shaker e as barras Estatóricas é vista
na Figura 28.
Figura 28 - Sistema de Conexão do Amplificador com o Shaker e as Barras Estatóricas.
4.2.2 Parte Elétrica
O transformador eleva a tensão até 13,8 KV (tensão nominal da barra)
O osciloscópio recebe em 1 canal o sinal do acelerômetro e no outro canal é
ligado por 1 T, o sinal do trigger do gerador de sinais com o sinal do
transformador, para fazer o sincronismo da rede. Com isso temos a leitura do
sinal da rede e do sinal mecânico.
Shaker
rk
Amplificador
Capacitor de
acoplamento
Filtro de
Alta Tensão
Transformador Impedancia de
Medição
Osciloscópio Gerador de Função
31
O capacitor de acoplamento serve para capturar os sinais de alta frequência
gerados pelas descargas parciais e levá-los para o detector.
A Impedância de medição está abaixo do capacitor de acoplamento e filtra os
sinais de capturados pelo capacitor, retirando a onda de 60 Hz e deixando passar
alta frequência para o detector.
4.3 Montagem da Barra Estatórica no Shaker
As barras estatóricas são colocadas em paralelo, com suas extremidades fixas uma
com a outra formando uma bobina. Cada barra é fixada por 2 placas de alumínio, que é
presa em uma base formada por uma placa retangular também de alumínio, e esta
colocada no tambor do shaker. De acordo com a Figura 29 e 30, que mostra a vista
superior da montagem da barra no shaker e a montagem da bobina no shaker,
respectivamente, é possível observar que as barras estão centralizadas no shaker, de modo
que o sistema fique equilibrado durante as vibrações.
Figura 29 - Vista Superior da montagem das Barras no shaker
32
Figura 30 - Bobina estatóricas acoplada ao shaker
A Figura 31 mostra os detalhes sobre a fixação das amostras de barramentos
estatóricos no cabeçote de vibrações.
Figura 31 - Modo de Fixação das Barras no Cabeçote de Vibração Mecânica
Com mais detalhes ainda, a Figura 32 mostra o apoio dorsal da barra, por cunhas
e molas reais, utilizadas em hidrogeradores, obtidas com os fabricantes. A figura 33
mostra a vista lateral desta montagem.
33
Figura 32 - Detalhe do Apoio Dorsal das Barras – Molas e Cunhas
Figura 33 - Vista latera do Apoio Dorsal das Barras – Molas e Cunhas
4.4 Sincronismo da Frequência da Rede com a Frequência Mecânica.
O circuito de ensaio também conta com sistema de sincronismo das vibrações
mecânicas com a tensão aplicada, incidindo os esforços de compressão sempre no mesmo
instante das amplitudes senoidais dos esforços elétricos.
Com o sincronismo dos sinais é obtido à máxima vibração e com isso se consegue
um envelhecimento da amostra mais acelerada. Este sincronismo é obtido através do
34
triger do gerador de funções. Na figura 34 é observado o sinal elétrico e mecânico
sincronizado, como também os valores de frequência e tensão.
Figura 34 - Sinal elétrico e mecânico sincronizado no osciloscópio
4.5 Ajustes dos Parâmetros
Como o teste é experimental, foram realizados vários ajustes nos parâmetros ao
longo das vibrações para que obtivesse uma maior vibração, e com isso acelerando o
envelhecimento, mas respeitando a capacidade de cada equipamento.
O amplificador é mantido em torno de 3 a 4 V e 3 a 4 A, pois seu limite de tensão
é 5V quando o mesmo desarma.
Segundo a referência [2] as vibrações mecânicas devem ser de duas vezes a
frequência da rede, 100 Hz para as máquinas europeias e de 120 Hz para máquinas norte-
americanas. Logo a frequência da rede é de 60 Hz e para as vibrações mecânicas é de 120
Hz.
A vibração mecânica acaba implicando pressão sobre a barra da ordem de 50 kPa,
com deslocamento vertical de 70 μm.
A tensão Aplicada é de 13,8 Kv conforme mostrado na figura 35
35
Figura 35 - Tensão Nominal de 13,8 Kv.
Deve ser colocado uma aceleração no gerador de funções de 17 m/s² = 1,73 G.
para que o amplificador não tenha uma sobrecorrente. Na figura 36 temos o programa
computacional que monitora a aceleração aplicada no sistema, e a frequência da vibração
mecânica.
Figura 36 - Programa computacional com os valores do gerador de funções.
36
CAPÍTULO 5 - RESULTADOS EXPERIMENTAIS
Os testes citados e explicados no Capítulo 3 foram aplicados na amostra da barra
022 original e após 50 horas submetidas ao teste eletromecânico. Os resultados antes e
após o envelhecimento acelerado em cada teste são vistos abaixo.
5.1. Resistência da Blindagem
A partir das medições com o voltímetro digital de precisão, obtemos os seguintes
valores médios para resistência da blindagem antes e após o envelhecimento, mostrados
na tabela 2
Tabela 2 – Resistência de blindagem antes e após as vibrações
Amostra Original Após 50 h. de
vibração
1,35 ± 0,14 KΩ 1,79 ± 0,59 KΩ
5.2 Percussão acústica
As medições são feitas nos 2 lados da barra, denominados lado A e lado B e nos
6 segmentos que ela foi dividida, registrando o máximo e a média dos 10 impactos em
cada segmento. Os valores encontrados na barra original e na barra após as 50 horas de
vibração estão na tabela 3 e 4 respectivamente. A tabela 5 consta o registro médio dos 2
lados da barra.
Tabela 3 - Medições na barra 022 original
Lado A Lado B
Segmento Máximo
(mV)
Média
(mV)
Máximo
(mV)
Média
(mV)
1 13,88 0,71 27,7 1,42
2 7,45 0,41 99,6 1,13
3 2,49 0,34 12,55 0,97
4 26,56 1,18 86,21 0,91
37
5 38,39 1,21 1,21 0,55
6 77,07 1,73 1,77 0,38
Tabela 4 - Medições na barra 022 após 50 horas de vibração
Lado A Lado B
Segmento Máximo
(mV)
Média
(mV)
Máximo
(mV)
Média
(mV)
1 99,36 0,69 88,68 1,31
2 32,36 0,43 70,98 1,27
3 3,5 0,31 84,69 1,15
4 9,38 1,22 57,38 0,92
5 9,23 1,48 14,17 0,85
6 47,05 1,56 23,41 0,8
Tabela 5 - Registro Médio na Barra 022 antes e após a vibração
Amostra Original
Após 50 h. de vibração
0,91 mV 0,99 mV
5.3 Resistência Elétrica de Isolamento e Índice de Polarização
A medição da resistência de Isolamento é feita com o mesmo procedimento
realizado com a barra na figura 18, o índice de polarização foi calculado de acordo com
a fórmula do subitem 3.3.6 no capítulo 3. Nas tabelas 6 e 7 estão as medições da
resistência elétrica e o índice de polarização antes e após as 50 horas de vibração.
Tabela 6 - Medições na barra 022 original
I (t) R
(Teraomhs) Ip
i(1min) 3,26 5,128
i (10 min) 16,72
38
Tabela 7 - Medições na barra 022 original após 50 horas de vibração
I (t) R
(Teraomhs) Ip
i(1min) 2,22 4,65
i (10 min) 10,34
A partir da tabela indicativa do índice de polarização (Tabela 8), pode-se
determinar o Estado da barra:
Tabela 8 - Índice de polarização.
Para demonstrar a relação do índice de polarização com o estado da barra, foram
feitos 3 testes com uma amostra da barra de 340x70 mm
Teste 1 – Estado Original
Primeiramente a amostra é lixada nas suas pontas e pesada com uma balança
digital.
É medido a Resistência de Isolação e calculado o Índice de polarização.
Teste 2 – Seca por 24 horas
A amostra é colocada na estufa Hatco com temperatura de 47º C por 24 horas.
Após esse tempo é realizado o mesmo procedimento de teste: Pesagem, medição
de resistência de isolamento e cálculo de Ip.
Teste 3 – Úmida por 72 horas
A amostra é imersa em um recipiente com água na temperatura 19,6ºC e
condutividade elétrica de 72,5 µS/cm por 72 horas.
39
Tabela 9 - Resistência, Índice de polarização e Estado das amostras.
Original Seca Úmida
R1min (G) 71,18 767,4 0,825
R10min G) 78,72 2223,5 0,967
Ip 1,105 2,89 1,17
Estado Pobre Confiável Pobre
De acordo com os resultados obtidos nos testes é possível observar que o índice
de polarização está relacionado com o estado em que a amostra se encontra. Quanto maior
a umidade da barra menor será seu Ip, o que significa que estas possuem uma menor
qualidade. Uma das alternativas de melhorar o Ip das barras é coloca-las em uma estufa
para diminuir sua umidade, e consequentemente melhorar sua qualidade.
5.4 Capacitância e fator de dissipação em alta frequência
A tabela 10 e a tabela 11 mostram os valores dos registros antes e após as 50 horas
de vibração do fator de dissipação em 1000 Hz e 5 V e da capacitância em 1000 Hz,
respectivamente.
Tabela 10 - Registros do fator de dissipação em 1000 Hz e 5 V.
Amostra Original
Após 50 h. de vibração
0,56 (%) 0,55 (%)
Tabela 11 - Registros da capacitância em 1000 Hz.
Amostra Original
Após 50 h. de vibração
2870 pF 2881 pF
É observado pelos resultados das tabelas 10 e 11 que a capacitância aumenta após
as vibrações e o fator de dissipação diminui.
40
5.4.1 Relação Umidade x Capacitância
Para verificar a influência da umidade com a capacitância e o fator de dissipação,
utilizou-se como amostra uma folha em branco de papel A4 em 3 condições:
Condição 1 – Estado Úmido
A amostra é imersa em um recipiente com água à temperatura ambiente. Após isso
é feito o teste de capacitância. A figura 37 mostra os resultados deste teste.
Figura 37 - Resultados da capacitância e fator de dissipação na amostra úmida.
Condição 2 – Estado Seco
A amostra foi exposta à temperatura ambiente (23º C) por 24 horas. Com ela
completamente seca, realizou-se o teste e obteve o seguinte resultado mostrado na figura
38:
41
Figura 38 - Resultados da capacitância e fator de dissipação na amostra seca.
Condição 3 – Estado Mais Seco
A amostra foi colocada em uma estufa na temperatura de 120º por 40 minutos.
Após esse processo foi realizado novamente as medições, mostradas na Figura 39:
Figura 39 - Resultados da capacitância e fator de dissipação na amostra mais seca.
42
É observado através dos gráficos que a capacitância e o fator de dissipação por
frequência são maiores quanto maior a umidade do material.
5.5 Descarga Parcial
A leitura dos valores de descargas parciais foi obtida através do detector de
descargas parciais. Como as amostras originalmente estavam com níveis de descargas
parciais abaixo de 50 pC, não foi possível a detecção. As descargas são medidas na
frequência de 60 Hz e tensão de 8 KV. Os Valores de Descargas parciais antes e após os
ensaios de vibração é visto na tabela 12 e o Display do Detector de Descarga Parcial é
mostrado na figura 40.
Tabela 12 - Valores de Descargas parciais antes e após os ensaios de vibração
Amostra Original Após 50 h. de
vibração
10 pC 32 pC
Figura 40 - Display do Detector de Descarga Parcial.
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CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES
Este trabalho teve o objetivo de avaliar as propriedades elétricas de uma barra
estatórica de hidrogerador após 50 horas de vibrações, demonstrando a degradação do
material com o envelhecimento acelerado.
Foi utilizada uma barra estatórica para hidrogeradores, com a tensão nominal de
13,8 kV. As medições foram feitas com a barra Nova (não envelhecida) e com a barra
depois de ser envelhecida por 50 horas sob vibrações mecânicas simultâneas com tensão
aplicada de 60 Hz, na temperatura ambiente de (23 ± 2) º C. Inicialmente concluiu-se,
pelo reduzido nível das descargas parciais na tensão de operação nominal =13,8/√3 = 8
kV, que a qualidade do sistema de isolamento estava em boas condições, com níveis
aproximadamente 20 pC. As barras, após envelhecidas por 50 horas sob vibrações, não
se mostraram sensíveis aos esforços aplicados, pois as descargas parciais somente
subiram para valores entre 30 e 40 pC. Com o tempo de energização, provavelmente as
barras aqueceram levemente, pelo campo elétrico aplicado, e a resina aglutinante curou-
se, já que o fator de dissipação melhorou.
Houve tentativas de se detectar as descargas parciais durante o processo de
vibração dos barramentos, sem êxito. O sistema de vibrações incorpora alguns circuitos
eletrônicos que provocam ruídos elétricos muito elevados, que mascaram a medição, pois
geravam ruídos da ordem de 500 pC. Como as amostras originalmente estavam com
níveis de descargas parciais abaixo de 50 pC, não foi possível a detecção.
As tentativas de medição das descargas parciais através de um programa
computacional, também não logrou êxito, devido ao baixo nível das mesmas.
Percebeu-se leve indício de laminação pelas respostas ao impacto, martelinho,
mas sem muita significância. A resposta a impacto das barras envelhecidas foi de 4 a 7 %
superior ao da barra nova, como mostrado na Tabela 1.
De um modo geral, concluiu-se que o sistema de ensaio foi pouco agressivo em 50 horas
de vibrações, como primeiro ponto avaliado. Espera-se que após 500 horas os efeitos dos
esforços conjugados de vibrações e campo elétrico, sincronizados, possam ser percebidos
com maior significância.
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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Síncronas e de Geração Elétrica” XV SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e
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do Iguaçu – Paraná – Brasil, 17 a 22 de outubro de 1999.
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45
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2300 V and Above”, publicada como IEEE Std-434,1991 (revisada em 2006)
[12] UETI, Edson, Márcio A. Sens, Luiz R. de A. Rodrigues e Sérgio M. G. Damasceno”
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