Implementação de um Sistema de Medição de Capacitância e Tangente Delta em Geradores e Motores Elétricos

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1 Implementação de um Sistema de Medição de Capacitância e Tangente Delta em Geradores e Motores Elétricos Hélio Amorim, André Tomaz, Thiago Baptista, João Borges, Caio Fleming CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica RESUMO O CEPEL desenvolveu um sistema de medição de Capacitância e Tangente Delta (CTD) com o objetivo de avaliar os sistemas isolantes de equipamentos elétricos de alta tensão. O sistema, denominado IMA-CTD (Instrumentação para monitoramento e análise de Capacitância e Tangente Delta), utiliza uma ponte de Schering modificada na qual, através das tensões elétricas obtidas em ambos os lados da ponte, realiza cálculos matemáticos que são capazes de determinar a capacitância e tangente delta do objeto sob ensaio. O objetivo deste trabalho é apresentar os resultados deste sistema quando aplicado em geradores elétricos em que a capacitância e tangente delta são importantes grandezas para subsidiar a tomada de decisão referente à manutenção dos equipamentos. PALAVRAS-CHAVE Monitoramento, Geradores Elétricos, Capacitância e Tangente Delta 1. INTRODUÇÃO A deterioração dos materiais que compõe a estrutura isolante é um processo natural e contínuo ao longo da vida operacional dos equipamentos. Ela pode ser causada por alterações físicas, pela absorção de contaminantes ou por reações químicas, as quais podem ser aceleradas por um conjunto de solicitações mecânicas, elétricas e/ou térmicas. Duas técnicas importantes e complementares podem contribuir para uma avaliação desta deterioração: Capacitância e Tangente Delta. Enquanto a tangente delta quantifica o fluxo de corrente resistiva através do material isolante e está associada à perda da qualidade do isolamento, a Capacitância é a propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático. A capacitância é literalmente função das geometrias físicas dos equipamentos. O estator, composto por barramentos e ranhuras aterradas, forma

2 capacitores de placas paralelas constituído de dois eletrodos planos separados por materiais isolantes. Sendo assim, o estator possue um valor prévio de capacitância e tangente delta estabelecido no processo de fabricação. Desta forma, os equipamentos elétricos de alta tensão devem ser submetidos a processos de avaliações com certa periodicidade, principalmente aqueles que possuam sistemas dielétricos com maior probabilidade de alteração em suas características de isolamento elétrico. As medições são realizadas tradicionalmente em laboratório e nas indústrias, seja para verificar se estes valores estão dentro de certos limites normalizados ou como parâmetros de controle da variação das características de determinado equipamento após determinados ciclos operativos. No laboratório, pontes adequadas para medição de capacitância e tangente de delta estão disponíveis em diversos modelos e são, na sua maioria, baseadas no princípio da ponte de Schering. No entanto, no campo, o procedimento difere substancialmente, devido principalmente a inexistência de um capacitor padrão com precisão de laboratório e das condições de instalação do objeto sob ensaio, que em muitos casos não pode ser suspenso do terra, como nos procedimentos laboratoriais. Sendo assim, deve-se fazer uso de uma aparelhagem não convencional. Desta forma, o sistema IMA-CTD e os resultados obtidos nos permitem afirmar que o programa está pronto para ser utilizado amplamente pelas empresas que compõe o Sistema Eletrobrás. É, segundo o nosso ponto de vista, um avanço tecnológico importante para a nação que busca se desenvolver e diminuir a dependência tecnológica externa. 2. METODOLOGIA Um sistema isolante com perdas dielétricas pode ser representado eletricamente por uma resistência e uma capacitância em paralelo, conforme ilustrado na figura 1. A capacitância representa o parâmetro sem perdas e a resistência representa as perdas dielétricas do material. Figura 1 Representação elétrica de um material isolante Onde: C capacitância global entre eletrodos; Ri resistência de isolamento; Ic corrente capacitiva de carga; Ir corrente resistiva de perdas. Os termos fator de dissipação e tangente delta por vezes são confundidos, mas para sistemas elétricos de alta tensão, com altíssima qualidade nos materiais e processos 2/ 6

3 de fabricação dos materiais isolantes, esses dois termos são equivalentes. O diagrama fasorial representativo das correntes em um material isolante, mostrado na figura 2, permite compreender o comportamento destes materiais quando submetidos a uma diferença de potencial entre os seus terminais. Figura 2 Diagrama fasorial representativo A tangente delta, dada pela razão Ir/Ic, constitui uma característica de um material dielétrico ou de um sistema de isolamento elétrico, sendo uma indicação do grau de pureza do meio dielétrico. Ela representa a qualidade, ou a dissipação relativa de calor no meio dielétrico quando submetido a um campo elétrico alternado. Pode ser determinado também pela razão entre a potência útil e a potência reativa do sistema capacitivo. Quanto menor for a amplitude de Ir com relação a Ic, menor será o ângulo delta ( ) entre Ic e a corrente total Ir+Ic, menor o valor de tan, e melhor a condição do dielétrico. Considerando que os valores do ângulo delta são sempre mínimos, a tangente deste ângulo deverá ser praticamente igual ao cosseno do ângulo teta, que determina o fator de potência ou fator de dissipação. Sendo assim, o valor de tangente delta é praticamente igual ao valor do cosseno teta. O enrolamento de uma máquina elétrica deve ser testado após a sua impregnação completa. A ionização gasosa de vazios, em inglês voids, existentes no isolamento pode causar um aumento do fator de perdas, especialmente quando a tensão aplicada é elevada. Nestes casos, o gradiente de tensão crítico nesses vazios é ultrapassado devido ao aumento do campo elétrico. Estas imperfeições deverão causar também descargas parciais, que surgirão e serão intensificadas em função da tensão aplicada. Desta forma, é possível relacionar altos níveis de DP com um fator de perdas elevado, pois as imperfeições que causarão as DP também serão responsáveis pelo aumento do fator de perdas. Esta informação é útil como mecanismo de manutenção das máquinas, na qual pode ser obtida uma avaliação da condição estatórica. Uma mudança no valor da tangente delta em um curto período de tempo pode ser um indicativo de que ocorreram mudanças na condição do isolamento e que estas devem ser monitoradas. O tip-up, conhecido como a diferença do fator de perdas medido em duas tensões diferentes, 20% e 100% da tensão nominal de operação do equipamento, pode ser útil na diagnóstico de alguns defeitos no isolamento, tais como problemas na cura da resina ou contaminação devido a impurezas no material, podem ser diagnosticados com a variação da tangente delta em razão da tensão aplicada. Desta forma, é possível afirmar que a curva fator de perdas versus a tensão de teste é útil para a avaliação do isolamento, tanto do material em uso quanto no processo de fabricação 3/ 6

4 de um novo isolamento. Dois ou mais níveis de tensão podem ser utilizados para esta avaliação. O sistema, denominado IMA-CTD (Instrumentação para monitoramento e análise de Capacitância e Tangente Delta), desenvolvido pelo CEPEL, utiliza uma ponte de Schering modificada no qual, através da medição de das grandezas de tensão em ambos os lados da ponte, determina, a partir de cálculos matemáticos, a capacitância e tangente delta do objeto sob teste. Este sistema, além de representar tecnicamente um domínio total de todo os fundamentos que regem a medição e avaliação desta grandeza em sistemas isolantes, apresenta um custo infinitamente mais baixo quando comparado com sistemas comerciais, especialmente para as Empresas Eletrobras, que são detentoras de todas as invenções e desenvolvimentos realizados pelo CEPEL. A ideia central baseia-se nos dados os parâmetros do circuito e, através dos valores de Vsn e Vsx, medidos com o uso circuitos de fibra ótica, pode-se determinar Cx, Rx e tensão sob o objeto. Além disso, as potências ativa e reativa no objeto são encontradas, bem como o ângulo delta, que é o complemento do ângulo do fator de potência. Desta forma, tem-se as saídas desejadas: Cx e TanDelta. Vejamos o circuito elétrico definido na figura 3 a seguir. 3. RESULTADOS Figura 3 - Modelo Elétrico da Ponte Schering Utilizando o laboratório IMA-e, que tem por finalidade exclusiva apoiar o desenvolvimento experimental de soluções técnicas, tal qual o IMA-DP, o IMA-CTD e outros produtos oriundos do projeto, foi possível validar a metodologia em equipamentos reais de alta tensão, comparando os resultados com o sistema comercial disponível no Centro de Pesquisas. A tabela a seguir demonstra de forma comparativa os resultados obtidos pelo sistema comercial e o IMA-CTD. 4/ 6

5 Tabela 1 Resultados Comparativos entre o sistema Comercial e o IMA-CTD Capacitância Tangente Delta Objeto S.Comercial IMA-CTD S. Comercial IMA-CTD Estator Fase A 17,55 nf 17,64 nf 2,78012 x ,94012 x 10-2 Estator Fase B 17,57 nf 17,65 nf 2,81993 x ,85993 x 10-2 Capacitor Padrão 1,01 nf 0,998 nf 3,05212 x ,19779 x 10-4 Cap. Acoplamento 455,6 pf 454,46 pf 1,00214 x ,02406 x 10-3 Em posse destes resultados, buscou-se a utilização do sistema em equipamentos reais, em atividades no campo nas quais o Cepel era o responsável pela medição e avaliação dielétrica dos geradores elétricos. Sendo assim, o sistema já foi utilizado diversas vezes, demonstrando robustez e confiança nos resultados. Para a realização do ensaio, faz-se necessário a utilização de fibras óticas, bem como dos seus respectivos transmissores e receptores. Este é um diferencial que viabiliza a utilização desta ferramenta no campo. Uma grande máquina do setor brasileiro também foi avaliada utilizando o método de cruzamento de zero. Por razões industriais não será possível expor os resultados encontrados neste ensaio. No entanto, pode-se afirmar que, baseados nos dados originais da máquina, com o levantamento dos dados pelo fabricante, confrontados com os dados obtidos, não foi constatado nenhuma variação das grandezas, onde pode-se concluir que a mesma se encontra em perfeitas condições no que se refere as estas duas grandezas. A figura 4 apresenta a tela principal do sistema IMA-CTD. 4. CONCLUSÕES Figura 4 - Tela Principal do IMA-CTD A necessidade do monitoramento das máquinas elétricas rotativas é, de certa forma, uma discussão em aberto dentro de cada empresa. Algumas delas, quer por 5/ 6

6 experiências negativas, quer por revisão de conceitos, já tomaram ciência que este procedimento pode aumentar o seu conhecimento a respeito da saúde de seus equipamentos. Entre os sistemas de monitoramento existentes, a medição de Descargas Parciais é a única capaz de dar algum indicativo sobre o isolamento elétrico das barras estatóricas e enrolamentos de motores de alta tensão sem a necessidade de intervir na máquina quando este estiver em operação, ou seja, uma medição em on-line. Nos casos em que a máquina está fora de operação, quer seja para manutenção ou por outras razões, a medição de capacitância e tangente delta também podem ser realizadas e são importantes mecanismos de avaliação da condição estatórica do isolamento. O sistema desenvolvido pelo CEPEL foi testado em vários objetos como: barras estatóricas e buchas capacitivas; e comparado com um sistema comercial de medição de capacitância e tangente delta. Após esta etapa de testes e avaliações, ele foi utilizado no campo, em uma das maiores máquinas rotativas do país, tendo sido validado através de comparação com o sistema comercial empregado na ocasião. Desta forma, é possível afirmar que o CEPEL possui, e portanto todas as Empresas Eletrobrás, um sistema capaz de realizar medidas de capacitância e tangente delta com um baixo custo de investimento e com total domínio de toda a cadeia de medição, desde o sensor até o diagnóstico. 3. REFERÊNCIAS [1] Bartnikas, R., and MacMahon, E. J., Engineering Dielectrics, Vol. 1, Corona Measurement and Interpretation, STP 699, ASTM, Philadelphia, [2] IEC/TR ( ), Guide for Test Procedure for the Measurement of Loss Tangent of Coils and Bars for Machine Windings. [3] ASTM D150-98, Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity (Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation. [4] IEEE Std IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation, ISBN SH / 6