07 jan Avaliação da Criticidade de Descargas Parciais na Região da Cabeça de Bobina
RESUMO
Este artigo aborda a importância do monitoramento de descargas parciais (DP) na avaliação da condição do isolamento elétrico de unidades de geração de energia. As descargas parciais, que indicam deterioração dielétrica, podem levar a falhas não planejadas e perdas de desempenho significativas. Utilizando técnicas como o monitoramento on-line com gráficos PRPD e a construção de históricos de medições ao longo de anos de operação, é possível identificar sinais precoces de problemas, como descargas na extremidade dos enrolamentos, efeito corona, contaminações por objetos estranhos e descargas entre barras. A análise cuidadosa desses sinais, aliada a inspeções internas e ensaios dielétricos adicionais, permite uma manutenção preditiva eficaz, contribuindo para a longevidade dos equipamentos, redução de custos e maior segurança operacional. A abordagem específica para cada equipamento e a atenção às manifestações de deterioração são essenciais para garantir a confiabilidade das unidades geradoras ao longo do tempo.
PALAVRAS-CHAVE
Descargas Parciais, PRPD, Manutenção Preditiva, Estator, Bobina.
1.0 INTRODUÇÃO
Paradas de máquinas não planejadas causadas por falhas no isolamento elétrico de unidades de geração de energia são um grande problema, porque são responsáveis por grandes perdas nos indicadores de desempenho devido ao longo período de parada necessária para a restauração da função de geração. Para resolver esse problema, muitos pesquisadores e estudiosos no campo de grandes máquinas rotativas descobriram que essas falhas estavam frequentemente relacionadas ao aumento do nível de descargas parciais (DP) no isolamento elétrico da máquina. Ocorrências de DPs em sistemas isolantes de equipamentos de alta tensão são sintomas de deterioração dielétrica, cuja evolução pode causar sérias consequências para o equipamento. A norma IEC 60034-27-2 [1] descreve o monitoramento on-line de descargas parciais, ao levar em consideração os fatores operacionais das máquinas e a norma IEC 60034-27-1 [2] descreve a criticidade de cada padrão PRPD.
Com relação ao monitoramento da condição da isolação do estator, a técnica consagrada é o monitoramento de descargas parciais. Essa técnica tem sido utilizada de forma intensiva dentro da Eletrobrás Eletronorte; sobre esta técnica vários estudos de caso foram apresentados [3-7]. Além disso, um dos pilares da manutenção preditiva é a construção do histórico com o acompanhamento da curva de tendência das medições. Este histórico foi construído ao longo de dez anos, com os sistemas de medições que disponibilizam o gráfico PRPD (Phase Resolved Partial Discharge), provenientes de geradores com mais de quarenta anos de operação: UHEs Tucuruí, Coaracy Nunes, Samuel e Balbina, ou seja, estatores com envelhecimento natural da isolação, ao levar em consideração a curva típica do comportamento das DP durante o ciclo de vida de uma máquina [8, 9].
Após construído o histórico de medição, medidos em Qm (mV), no qual as curvas de tendência são intrínsecas de cada máquina, principalmente o histórico de máquinas criados após anos de operação. De acordo com [9] quando esse indicador Qm dobra de valor é um forte indicativo de problema iminente. Com isso, a equipe de manutenção parte para uma investigação mais criteriosa do problema. Além disso, as normas [1, 2] classificam os gráficos PRPD de acordo com o tipo de DP e grau de risco: descargas de ranhura, delaminação interna e delaminação entre condutor e isolação são consideradas um grau de risco elevado e descargas corona, descargas na extremidade do enrolamento e descarga de superfície são consideradas um grau de risco médio.
Porém ao analisar a criticidade dos gráficos PRPD nos deparamos com exemplos que são classificados como moderados que para o nosso entendimento e experiência consideramos risco alto, para um caso de descarga corona (em que houve a erosão de 1 mm na camada ECP – external corona protection) que consequentemente causa um estresse de aproximadamente 3,46 kV/mm na região desgastada, considerando que o valor de projeto é em torno de 2,41 kV/mm e outros exemplo de descarga entre barras com níveis muito elevados que consideramos também de risco alto, observou-se aumento significativo no fator de dissipação dielétrica e capacitância, e consequentemente, a não suportabilidade da isolação durante o teste de tensão aplicada, também será discutido a contaminação por objetos estranhos no estator, e por fim, será analisado também descargas no barramento circular. Dessa forma, deve-se considerar a especificidade de cada gerador, e realizar inspeção interna e ensaios dielétricos adicionais para auxílio a tomada de decisão, esses exemplos serão explorados neste artigo.
- DESCARGAS NAS EXTREMIDADE DOS ENROLAMENTOS (END-WINDING)
Na região da extremidade do enrolamento, diversos problemas relacionados ao isolamento são relatados e imagens das descobertas foram publicadas em diversos artigos [10]. No entanto, avaliações detalhadas sobre as causas raiz e recomendações para mitigação de riscos, bem como medidas corretivas e preventivas, não são frequentemente fornecidas.
Basicamente, os tipos de falhas elétricas na região do enrolamento podem ser divididos em cinco grupos diferentes. Embora os cinco grupos principais destacados na Figura 1 sejam causados por projeto incorreto, seleção de material, etc., há um grupo adicional que contém problemas diversos não causados pelo próprio sistema de isolamento, como entrada de água, contaminação por objetos estranhos, impacto mecânico, entre outros. Nesta seção serão discutidos alguns exemplos de descargas nessa região e o grau de criticidade.
2.1 Corona Linear
A Usina Hidrelétrica de Balbina possui capacidade de geração elétrica de 250 MW, distribuída em cinco unidades de 50 MW. Trata-se de uma grande usina hidrelétrica com cinco unidades de diferentes fabricantes, sendo a última em operação em 1987. As unidades geradoras de 1 a 4, do mesmo fabricante, apresentaram alta incidência de descargas por efeito corona.
As principais manifestações nessas máquinas são o efeito corona linear, que surge em regiões menos esperadas, pelo menos não previstas no projeto. Conforme ilustrado na Figura 2, são apresentados exemplos clássicos de manifestações de efeito corona linear. Além da rugosidade, essa exposição é geralmente atribuída à distância elétrica insuficiente entre as barras.
Neste caso, o foco é mitigar o início do efeito corona linear na saída do núcleo, observado predominantemente entre barras de fases diferentes, separadas radialmente por apenas 1,6 mm. Para este caso específico, foram aplicadas melhorias que consistiu em estender a tinta condutiva de ranhura até o plano onde as curvaturas das barras começam a receber as angulações tangencial e radial e criar uma luva de transição nesta região, ao continuar com a tinta semicondutiva, nas barras onde o nível de tensão atinge mais de 80% da tensão nominal entre fases, Figura 3.
O sucesso da solução de procedimento para reforço do sistema de alívio de tensão das barras, sem mais ocorrências do defeito, reduziu o tempo de manutenção durante os programas quinquenais de manutenção planejada, ocasionando menor custo com mão de obra, ao reduzir a taxa de indisponibilidade das unidades geradoras e, com isso, contribuir para um melhor desempenho operacional da empresa. Após a reconfiguração do sistema de prevenção de corona, o monitoramento de DP indica diminuição do nível de descargas e extinção do efeito corona nas luvas, Figura 4.
Figura 3 – implementação do sistema de prevenção corona antes e depois da melhoria.
Figura 4 – Gráficos PRPD medidos antes e depois da intervenção na melhoria na camada de alívio de tensão.
Na manutenção das demais unidades geradoras da UHE Balbina, também foi replicado o processo de reforço do sistema de alívio de tensão das barras. Até o momento, as inspeções visuais anuais realizadas nos geradores não evidenciaram nenhum efeito corona. Em [11, 12] descreva as etapas para realizar manutenção do reparo do sistema prevenção de corona.
2.2 – Corona Anular
Pode-se mencionar a manifestação do efeito corona anular como a presença mais perigosa. A Figura 5, mostra os diferentes estágios desse fenômeno. Para avaliar as consequências, consideremos uma espessura de tensão de isolamento da parede principal conservadora de 3,3 mm em uma máquina com tensão nominal de 13,8 kV, o que significa uma rigidez dielétrica de isolamento de 2,41 kV/mm. Conforme a Figura 5 (b), uma redução de um milímetro na espessura do isolamento da parede principal representa 3,46 kV/mm, uma rigidez dielétrica muito agressiva que compromete a segurança do enrolamento do estator. Por isso, recomendamos a realização de manutenção ativa nessa degradação.
A longevidade dos reparos é definida pela base da tinta epóxi e pela temperatura ambiente ao redor da região onde se localiza a proteção corona de ranhura (OCP) com a interface da proteção corona externa (ECP).
Figura 5 – (a) Efeito corona anular, (b) e suas consequências de erosão.
Em relação à questão de realizar ou não manutenção ativa em caso de manifestações do efeito corona, deve-se observar que associada à eflorescência do efeito corona está a produção de ozônio, que, juntamente com a umidade e o nitrogênio presentes no ar, forma ácido nítrico. Sabe-se que esse ácido é muito corrosivo e pode atacar componentes sensíveis da máquina. Isso pode justificar o estabelecimento de uma rotina de manutenção para o efeito corona.
2.3 Contaminação por Objeto Estranho
Neste exemplo, a monitoração on-line de descargas parciais apresentou um aumento significativo, os níveis para essa máquina eram em torno de 100 mV e chegaram valores de 5 V, conforme Figura 6. De acordo com a norma IEC/TS 60034-27-2 [1] este tipo de padrão de descargas parciais é classificado como descarga de superfície.
A unidade foi parada para manutenção quinquenal, em 09/2019, na montagem das guias de ar, foi encontrado corpo estranho: cavaco de furadeira (Figura 7a) entre as bobinas. No local foi realizado limpeza, lixamento da área afetada, limpeza com álcool isopropílico e aplicação de verniz (Figura 7b). Após a manutenção, os níveis de descargas normalizaram.
2.4 Descargas Entre Barras
Neste exemplo, a monitoração de descargas parciais online indicou um aumento significativo dos níveis de descargas parciais, os valores saíram de 100 mV para 10 V, esta elevação de nível foi o motivo principal que levou a parada da máquina para realização de ensaios elétricos off-line.
O hidrogerador foi submetido aos ensaios de fator de dissipação e capacitância, e descargas parciais offline. A fase A apresentou, nos circuitos 6 e 7, fator de dissipação de 6,12%, e um aumento de capacitância de 18%, em relação aos dados de comissionamento. Nessa mesma região, foram detectados níveis de descargas parciais off-line de 1 V com padrões característicos de descargas nas extremidades do enrolamento. Em seguida, foi realizada uma inspeção por corona, como ilustrado na Figura 8, na qual foi identificada uma barra que apresentava isolamento comprometido.
2.5 Descargas na Região do Barramento Circular
Neste exemplo, a monitoração de descargas parciais online indicou um aumento significativo dos níveis de descargas parciais, os valores saíram de 100 mV para 20 V, Figura 9, com padrões característicos de descargas nas extremidades do enrolamento, esta elevação de nível foi o motivo principal que levou a parada da máquina para realização de inspeção interna, onde se identificou rompimento das conexões flexíveis do barramento circular, conforme Figura 10.
3.0 CONCLUSÕES
Vários casos sobre medições de descargas parciais na região da cabeça de bobina foram apresentados: corona, contaminação por objeto estranho, descargas entre barras, descargas na região do barramento circular e as estratégias adotadas pela empresa para lidar com cada caso ao avaliar a criticidade de cada um para se evitar uma falha.
Dessa forma, o monitoramento de descargas parciais se mostra uma ferramenta indispensável para a manutenção preditiva de grandes máquinas elétricas. Através da análise cuidadosa dos gráficos PRPD, do histórico de medições e da avaliação da criticidade de cada padrão de descarga, é possível detectar sinais de deterioração do isolamento com antecedência, evitando falhas catastróficas e paradas não planejadas. Além disso, a consideração das particularidades de cada equipamento, inspeções internas e ensaios adicionais têm dado maiores subsídios para avaliação da condição dielétrica do estator. Dessa forma, a combinação de monitoramento contínuo, inspeções detalhadas e ações corretivas específicas contribui para a longevidade dos geradores, redução de custo de manutenção e maior segurança operacional.
4.0 BIBLIOGRAFIA
[1] INTERNACIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION, IEC/TS 60034-27-2, Rotating Electrical Machines – Part 27-2: Online Partial Discharges Measurements on the Stator Winding Insulation of Rotating Electrical Machines. Switzerland, ed. 1.0, 2012.
[2] INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION. IEC/TS 60034-27, Rotating electrical machines-Part 27: Off-line partial discharge measurements on the stator winding insulation of rotating electrical machines. Switzerland, 2006.
[3] CARVALHO, A. T.; AMORIM JUNIOR, H. de P.; PARDAUIL, A. C. N.; CARVALHO, D. S.; BRASIL F. de S.; VILHENA, P. R. M. Experience with an Intensive Partial Discharge Monitoring System for Rotating Electrical Machines. In: Rotating Electrical Machines: Requirements, Operation & Maintenance, 2015, Madrid. Meeting and Colloquium “Rotating Electrical Machines: Requirements, Operation & Maintenance”, 2015.
[4] LELIO, R.; DUARTE, R.; VILHENA, P. R. M.; BRASIL F. de S. MANUTENÇÃO PREDITIVA NA UHE BALBINA. In: VII Enam, 2016, Rio de Janeiro. VII Encontro Nacional de Máquinas Rotativas, 2016.
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[6] VILHENA, P. R. M.; COSTA, A. F.; BRASIL F. de S.; DMITRIEV, V.; RODRIGUES, B. G. D. Manutenção Preditiva: Aplicação e Resultados na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes. In: SBSE, 2016, Natal. Simpósio Brasileiro de Sistemas Eletricos, 2016.
[7] VILHENA, P. R. M.; BRASIL F. de S.; SANTOS, C. J. S.; SANTOS, M. N. N. Análise do Sistema de Isolamento dos Enrolamentos Estatóricos das Unidades Geradoras da Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes. In: LATIN-AMERICAN CONGRESS ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION, 2015, São José dos Campos. THE XI LATIN-AMERICAN CONGRESS ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION – CLAGTEE 2015, 2015.
[8] STONE, G. C., “A Perspective Online Partial Discharge Monitoring for Assessment of the Condition of Rotating Machine Stator Winding Insulation”, IEEE Electrical Insulation Magazine, 2012.
[9] STONE, G. C.; CULBERT I.; BOULTER, E. A.; DHIRANI H., “Electrical Insulation For Rotating Machines Design, Evaluation, Aging, Testing, and Repair”, Second Edition, 2014.
[10] STAUBACH, C., HILDINGER, T. “Failure Mode Assessment of the Generator Stress Grading System”, 2018.
[11] VILHENA, P. R. M.; DUARTE, R.; BRASIL F. de S.; ROCHA, J.; UEMORI, M. Reconfiguration of the Corona Prevention System and Application to a Practical Case. In: Paris Session 2024, 2024, Paris. A1 Power Generation and Electromechanical Energy Conversion PS3 – Keeping the Lights on, 2024.
[12] ROCHA, J.; UEMORI, M.; GARCIA, A. Z. RECONSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE PREVENÇAO DE EFEITO CORONA EM HIDROGERADORES ATACADOS POR ESSE FENÔMENO. X Enam – Encontro Nacional de Máquinas Elétricas Rotativas, Florianópolis, 2023.
Sobre os autores:
(1) Paulo Roberto Moutinho de Vilhena – Possui graduação Tecnologia em Informática pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará (2002), graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará (2005), especialização em Engenharia de Sistemas pelo Centro Universitário do Estado do Pará (2005), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará (2008) e doutorado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará (2015). Atualmente é engenheiro de manutenção elétrica da Centrais Elétricas do Norte do Brasil. tem experiência na área de engenharia de manutenção elétrica, com ênfase em sistemas elétricos de potência. atuando principalmente nos seguintes temas: manutenção corretiva, preventiva e preditiva em usinas hidrelétricas.
(2) Fernando de Souza Brasil – Doutor e Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará em 2016 e 2013, respectivamente, Especialista em Engenharia de Produção pela Universidade do Estado do Pará (2012), graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará (2006) e Licenciatura Plena em Matemática pela Universidade do Estado do Pará (2005). Atualmente é Engenheiro de Manutenção Elétrica das Centrais Elétricas do Norte do Brasil – Eletrobras Eletronorte. Tem experiência na área de engenharia elétrica, com ênfase em sistemas elétricos de potência, atuando nas áreas de manutenção preditiva de equipamentos de alta tensão de subestações e usinas hidrelétricas. Coordenador Nacional do Comitê de Estudos de Máquinas Rotativas CE A1 do Cigré – Brasil.
(3) J. JOHNNY ROCHA E. – Eng. Elétrica pela PUC/RS, Porto Alegre, Brasil, 1982; Ms. Eng. Elétrica pela UFSC, Florianópolis, Brasil, em 1985; e Dr. Sist. USP, SP, Brasil, em 1996. Post Doc., na Universidade Federal de Itajubá, MG, Brasil, 2018. Post Doc Engenharia Elétrica – Universidade Federal de Goiás, Goiânia, Brasil, 2020. Nomeado Senior Member do IEEE em 2017, Special Report e Coordenador Internacional do Advisory Group A1-02 Hydro Generators e Tutorial Course Invited Presenter do CIGRE. Professor na PUC/RS e na UnB (1983 -1989). Desde 1990 dedica-se integralmente à tecnologia de máquinas rotativas, com ênfase em hidrogeradores. Com participação em grandes empresas fabricantes, como a ABB, Siemens, Voith-Siemens, GEVISA-GE, Alstom Power e GE Hydro, ocasião em que consolidou o seu ofício como Artesão de Geradores. Desde 2018 se encontra à frente da Trassínio Consultoria Ltda.
(4) MAURO UEMORI – Graduação em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, especializada em Máquinas Elétricas (1978). Atualmente fazendo o Mestrado em Engenharia Elétrica na UNIFEI. Desde 1978 dedica-se integralmente à tecnologia de máquinas rotativas, com ênfase em hidrogeradores. Participação ativa na BBC, ABB, Alstom e GE Hydro consolidando a sua carreira como Expert em Cálculo Elétrico de Hidrogeradores. Desde junho de 2020, atua como Consultor Sénior na Trassínio Consultoria Ltda. aportando com a sua grande experiência em projetos de hidrogeradores.
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