MANUTENÇÃO PREDITIVA EM UMA USINA HIDRÁULICA DA ELETROBRAS ELETRONORTE. Paulo R. M. de Vilhena Andreza F. Costa Fernando de S.

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1 MANUTENÇÃO PREDITIVA EM UMA USINA HIDRÁULICA DA ELETROBRAS ELETRONORTE Paulo R. M. de Vilhena Andreza F. Costa Fernando de S. Brasil Eletrobras Eletronorte Unifap Eletrobras Eletronorte Benedito das G. D. Rodrigues Eletrobras Eletronorte Victor Dmitriev UFPA RESUMO Dentre as funções operacionais de uma grande empresa de geração de energia, as mais importantes são a produção e a manutenção, que em conjunto, permitem a entrega do produto solicitado na qualidade e quantidade demandadas. Este artigo apresenta a Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes (UHCN), mais especificamente no que diz respeito às técnicas de manutenção preditiva adotadas em suas instalações, buscando evidenciar a eficiência deste tipo de manutenção. Para isso foi realizado um trabalho de observação e análise de dados dos sistemas de manutenção instalados na usina: o SIMME, Sistema de Monitoramento de Máquinas Elétricas que fornece informações acerca de parâmetros mecânicos em que a máquina está operando, o IMA-DP, Sistema de Instrumentação para Monitorização e Análise de Descargas Parciais que verifica a possível evolução do fenômeno de descargas parciais nos enrolamentos do estator e a Termografia que permite a identificação à distância de pontos de elevada temperatura em cabos, conexões e superfícies. A agregação de informações é de vital importância para a representação dos resultados obtidos ao longo do período de coleta, que fornecem consistência para a aplicação desta forma de manutenção além de comprovar a importância da manutenção preditiva para a correta e segura operacionalidade das unidades de geração da usina, tornando o sistema de geração da Eletronorte-AP mais confiável. PALAVRAS-CHAVE Manutenção preditiva, plano de manutenção, vibração, descargas parciais.

2 1. INTRODUÇÃO As técnicas de manutenção possuem uma importância vital no funcionamento de uma empresa de energia elétrica, e cabe a ela zelar pela sua conservação, especialmente no que diz respeito a máquinas e equipamentos, devendo antecipar-se aos problemas através de um contínuo serviço de observação dos ativos a serem mantidos. A escolha da técnica de manutenção mais adequada para cada tipo de equipamento de uma planta de geração de energia elétrica deve levar em consideração fatores como: importância do equipamento para o processo produtivo, o seu custo de aquisição e a sua taxa de falha [1] Com o aumento desenfreado da demanda por energia elétrica e o crescente desenvolvimento da tecnologia, as empresas buscam constantemente melhores técnicas de manutenção, de forma a alcançar uma maior eficácia dos seus equipamentos, maior confiabilidade e um nível de qualidade que a torne competitiva. Neste cenário surge a manutenção preditiva com a missão de solucionar esse desafio, ao buscar formas de monitorar as condições reais de operação das máquinas, de obter dados que identifiquem desgastes, processos de deterioração ou situações que possam vir a comprometer as funcionalidades dos equipamentos. A manutenção preditiva pode ser definida como qualquer atividade de monitoramento que seja capaz de fornecer dados suficientes para uma análise de tendências, emissão de diagnósticos e a tomada de decisão [2]. Diante deste fato, a Eletrobras Eletronorte-AP adotou alguns sistemas de monitoramento e ferramentas para complementar as atividades de manutenção já desenvolvidas nas unidades de geração da UHCN: O IMA-DP (Instrumentação para Monitorização e Análise de descargas Parciais) que faz uma constante verificação da evolução do fenômeno de descargas parciais (DP) na isolação dos enrolamentos estatóricos e que indicam os momentos de maior criticidade e a necessidade de uma intervenção; O SIMME (Sistema de Monitoramento de Máquinas Elétricas) que fornece informações a respeito das condições mecânicas de operação das máquinas; A Termovisão é uma ferramenta que inspeciona à distância os equipamentos utilizando instrumentos que detectam a temperatura de superfícies [3]. Além desses sistemas de monitoramento, este trabalho apresenta o plano de manutenção adotado para a mantenabilidade da operação desses mecanismos, os resultados que demonstram o correto funcionamento de cada sistema e uma ferramenta de supervisão para verificar a sua disponibilidade de forma que eles estejam sempre operantes. 2. METODOLOGIA 2.1. Sistemas de monitoramento: a) IMA-DP A monitoração de descargas parciais em hidrogeradores é uma técnica consagrada para fins de avaliação de desempenho elétrico do seu sistema isolante. Quaisquer imperfeições construtivas podem ser detectadas por meio de ensaios de 2/ 9

3 descargas parciais. O IMA-DP é um instrumento de monitoração desenvolvido pelo Centro de Pesquisas de Energia Elétrica da Eletrobras - CEPEL em parceria com a Eletrobras Eletronorte. Pode-se aplicá-lo a qualquer sistema de isolamento de equipamento de alta tensão. O IMA-DP é composto por três subsistemas integrados: O sistema de medição, de operação e o sistema de análise. O sistema de medição é responsável pelas funções de aquisição e registros dos sinais de DP na forma de mapas estatísticos (Φ, q, n); O sistema de operação é responsável pela configuração e pelo ajuste do hardware de medição, bem como pela solicitação de medição [4, 5]. O sistema de análise inclui ferramentas para visualização dos dados e tratamento das informações consolidadas no banco de dados do IMA-DP. b) SIMME Sistema que fornece informações sobre as condições mecânica de operação das máquinas e equipamentos a que está instalado, como a velocidade de rotação da unidade, potência gerada, vibração da máquina, pressão na caixa espiral entre outras. Na UHCN o SIMME monitora as três unidades de geração e em cada uma delas há uma unidade de aquisição ligada a um servidor de bancos de dados onde são armazenadas as informações obtidas. c) Termovisão: A termovisão é uma técnica de manutenção preditiva que consiste na inspeção à distância de equipamentos, conexões e contatos elétricos, componentes eletromecânicos entre outros, utilizando instrumentos que detectam temperatura de superfícies através dos níveis de emissão de raios na faixa de frequência do infravermelho. A termografia possibilita a obtenção de imagens térmicas chamadas termogramas, as quais permitem análise para determinação de temperaturas e obtenção de parâmetros para a decisão de possíveis intervenções em equipamentos [3]. A figura 1 apresenta um exemplo de medição e verificação de pontos quentes em uma das unidades de geração da UHCN [6]. Figura 1. Utilização da termovisão para a identificação de pontos quentes no cabo da excitatriz da Unidade de Geração 2 da UHCN. 3/ 9

4 2.2. Planos de Manutenção: Os planos de manutenção correspondem as atividades de verificação e correção de possíveis problemas que podem vir a ocasionar a falha dos sistemas de monitoramento instalados, de forma que eles não percam a sua capacidade de medição e registro de anomalias que possam ocorrer nas unidades de geração da Usina Coaracy Nunes. Essas verificações seguem o padrão TPM (Manutenção Produtiva Total), inseridas no Programa de Manutenção Planejada, e são realizados a cada seis meses. São ações minunciosamente organizadas de forma que garanta um controle sobre os danos ambientais e humanos que a atividade possa causar. O procedimento é realizado pelo centro de trabalho responsável, ou seja, pelas equipes de engenharia de manutenção e pela equipe de manutenção elétrica/mecânica. a) SIMME No SIMME os planos de manutenção, objetivam a sua mantenabilidade nas condições operacionais adequadas de funcionamento, com a abertura de notas de eliminação de anomalias para a correção de problemas e aquisitar dados para a análise e diagnóstico das condições operacionais das unidades geradoras. Esta manutenção se aplica nos módulos de monitoramento do SIMME dos três geradores e no servidor de banco de dados [8]. Em um plano de manutenção realizado no sistema SIMME no dia 26/05/2015, verificou-se a existência de um defeito, onde o sistema se encontrava desligado devido a uma falha no no-break que alimentava os computadores do painel. Após a troca do equipamento, a disponibilidade do sistema foi reestabelecida. b) IMA-DP No IMA-DP os planos objetivam o desenvolvimento de atividades de manutenção preditiva e preventiva, conforme itens de inspeção e controle, garantindo confiabilidade, funcionalidade, operacionalidade e integridade do equipamento, segurança das pessoas, sem poluir o meio ambiente e mantendo as condições básicas de funcionamento da unidade geradora. Esta atividade se aplica nos módulos de monitoração do IMA-DP [7]. Aliado aos planos de manutenção, em 2015 a Eletronorte/AP, utiliza-se uma ferramenta auxiliar que faz o teste da disponibilidade dos sistemas de monitoramento que compõem sua rede de geração e transmissão. A ferramenta é chamada de check list de disponibilidade, que faz o teste por meio da varredura das identificações virtuais (IP s) de cada sistema que estão ligados com a rede coorporativa, verificando a sua conexão com a mesma. Esse check list foi desenvolvido através da linguagem de programação Visual Basic no Excel, e possui estrutura e manipulação simples. O mantenedor é responsável por dar a partida no teste e por salvar os dados no fim do mesmo. A figura 2 mostra sua interface, apresentando os cinco equipamentos monitorados, identificados pelos seus IP s, onde os três primeiros representam os equipamentos do SIMME e os dois últimos representam os equipamentos do IMA-DP [9]. 4/ 9

5 Figura 2. Interface do Check-List Os dados salvos serão convertidos e mostrados em forma de gráficos que melhor evidenciam o desempenho de cada sistema. A figura 3 representam os gráficos de disponibilidade do SIMME. Figura 3. Gráficos do SIMME O gráfico de disponibilidade do SIMME que representa média dos três equipamentos monitorados, evidencia uma taxa de funcionamento do sistema de 71,35%, no período de 30/04/2015 à 02/12/2015, que não é um resultado satisfatório ao considerar a importância do SIMME para a análise de causas de defeitos e predição de falhas para o sistema de geração da Eletronorte-AP. O funcionamento do IMA-DP ao longo do período de registros apresenta uma disponibilidade de 58,59% que se mostra como um resultado ineficiente e insatisfatório visto que este sistema trabalha com curvas de tendências e comparações de forma a exigir um funcionamento ininterrupto. Com o auxílio do Check List os mantenedores puderam identificar e solucionar de forma rápida, pequenos problemas que afetam esses sistemas. Entre esses problemas pode-se citar falhas na alimentação dos computadores ou até mesmo problemas de software/hardware gerando travamento do sistema operacional. 5/ 9

6 A partir de todas essas medidas para a mantenabilidade dos sistemas de monitoramento, espera-se, nos próximos anos, um mínimo de indisponibilidade, garantindo assim o alcance da meta de 100% para todos os sistemas apresentados. 3. RESULTADOS Após alguns anos de funcionamento dentro das instalações da Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes, os sistemas de monitoramento foram capazes de fazer a detecção de falhas e a predição de possíveis defeitos nas unidades geradoras, dando suporte para as equipes responsáveis pela manutenção das mesmas. Algumas situações de detecção de falhas nos equipamentos foram listadas abaixo IMA-DP Ao longo do ano de 2014, foi possível verificar que nesse período de monitoração ininterrupta não houve grande evolução das DP, quando as máquinas estão operando adequadamente. Porém observou-se que quando houve um aumento na potência nominal gerada (acima de 1 pu), as máquinas apresentaram um aumento significativo nos seus níveis de DP. Notou-se que as DP possuem relação com a condição operacional da máquina. As descargas acompanham as alterações de potência e temperatura sofridas pela mesma. Também se percebeu, através deste estudo, que o aumento das DP teve uma forte correlação com o aumento das vibrações mecânicas, o que será comprovado a seguir, através das curvas de tendências obtidas pelos sistemas de monitoramento [10,11, 12]. As figuras 4 e 5 a seguir fazem uma demonstração de um caso ocorrido no dia 30/06/2014 em uma unidade geradora da UHCN, onde pode-se observar a correlação do fenômeno de DP com as vibrações mecânicas. Figura 4. Curva de tendência de DP máquina 02, fase A. A figura 4 apresenta a curva de tendência das DP da máquina 2, fase A, ao longo do dia da ocorrência. 6/ 9

7 É possível verificar que no período de 15:00 às 22:00 horas houve um aumento nos níveis de DP no qual os níveis de DPs praticamente dobraram na fase A e aumentaram nas demais fases, e após uma análise deste caso, observando-se as condições operacionais da máquina, pode-se concluir que essa ocorrência foi devido ao aumento de 3,75% da potência nominal gerada pela máquina, passando de 24MW para 24,9MW. Após a análise de outro sistema de monitoramento (SIMME), verificou-se que além do aumento do nível de DP na fase A houve um aumento na vibração relativa no mancal guia da turbina em 19% (Figura 5). Figura 5. Vibração do Mancal Guia da Turbina X Curva de tendência das DP s. Pode-se observar neste estudo que a magnitude das DPs, assim como seu número de ocorrências, e consequentemente seu padrão apresentaram uma correlação positiva com o aumento das vibrações mecânicas, fato este que deve ser levado em consideração durante a análise do especialista para o melhor diagnóstico da máquina. Vale ressaltar que na literatura recente já existem relatos da relação entre vibrações mecânicas e descargas parciais [13] SIMME O SIMME é um sistema que atua na verificação de alguns parâmetros de funcionamento das unidades de geração da UHCN de forma ininterrupta, onde a constante inspeção dessas informações pode ser decisiva para a realização de uma intervenção em determinada máquina antes de uma falha. Em março de 2015, a partir da observação dos dados fornecidos pelo SIMME, figura 6 (a), foram identificadas anomalias no funcionamento da máquina 03 da UHCN. 7/ 9

8 (a) (b) Figura 6. (a) Curva de tendência da Vibração Relativa no Mancal Guia do Gerador (MGG) de 15/Fev à 16/Mai de 2015, (b) Gráfico de Órbita referente à vibração da máquina 03 da UHCN no ano de 2015 O mancal guia da turbina (MGT) apresentava uma folga diametral (FD) de aproximadamente 400microns, havendo a necessidade de uma intervenção. Segundo a norma NEMA MG (1978) [14], o gerador estava operando em uma situação crítica e deveria receber os devidos procedimentos de restauração imediatamente. A figura 6 (b) acima representa o gráfico de órbita da vibração do mancal guia do gerador da máquina 03 da UHCN, evidenciando a diminuição da vibração da máquina após a manutenção realizada no dia 30/03/2015 (órbita verde), e a sua evolução ao longo dos meses subsequentes, a órbita azul é o limite da norma NEMA. 4. CONCLUSÕES Neste artigo foram apresentados os métodos e as principais características da manutenção preditiva adotadas na Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes, assim como as ferramentas auxiliares que tornam os sistemas de monitoramento (SIMME e IMA-DP) mais confiável. Os resultados apresentam-se de maneira eficiente, uma vez que pequenos defeitos puderam ser identificados antes da ocorrência de uma falha total nos sistemas, de forma a mostrar a importância e a aplicabilidade da manutenção preditiva nas grandes corporações. A gestão, o acompanhamento e os reparos dos sistemas de monitoramento através dos planos de manutenção, são realizados para que a sua disponibilidade alcance a meta de 100%. 5. REFERÊNCIAS [1] L. X. Nepomuceno, "Técnicas de Manutenção Preditiva", Vol. II, Ed. Edgard Blücher Ltda, [2] A. Kardec, Nascif, T. Baroni, " Gestão Estratégica e Técnicas Preditivas", Ed. Quality Mark, Col. Manutenção, Rio de Janeiro, / 9

9 [3] NBR-16292, "Ensaios não destrutivos Termografia - Medição e compensação da temperatura aparente refletida utilizando câmeras termográficas",2014. [4] A. T. Carvalho, H. de P. Amorim Junior, A. C. N. Pardauil, D. S. Carvalho, F. de S. Brasil, P. R. M. Vilhena, "Sistema de Monitoramento Intensivo de Descargas Parciais em Hidrogeradores", XVI ERIAC DECIMOSEXTO ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ, 2015, Comité de Estudio A1 - Máquinas Eléctricas Rotativas, Puerto Iguazú, 2015 [5] A. T. Carvalho, H. de P. Amorim Junior, A. C. N. Pardauil, D. S. Carvalho, F. de S. Brasil, P. R. M. Vilhena, "Experience with an Intensive Partial Discharge Monitoring System for Rotating Electrical Machines", Rotating Electrical Machines: Requirements, Operation & Maintenance, 2015, Madrid. Meeting and Colloquium "Rotating Electrical Machines: Requirements, Operation & Maintenance", [6] J. Costa, "Relatório de Inspeção Termográfica da UHCN", Eletronorte/AP, Macapá, [7] P. R. M. Vilhena, "Programa de Manutenção Planejada: Sistema de Monitoramento IMA- DP", Eletrobras Eletronorte/AP, 10/06/2014. [8] P. R. M. Vilhena, "Programa de Manutenção Planejada: Sistema de Monitoramento SIMME", Eletrobras Eletronorte/AP, 10/06/2014. [9] A. F. Costa, "Checklist Automatizado dos Sistemas de Monitoramento da Eletronorte/AP", XIII Painel do Estágio, Eletronorte, Macapá, [10] F. de S. Brasil, P. R. M. Vilhena, D. S. Carvalho, A. T. Carvalho, H. de P. Amorim Junior, "Experiência na Monitoração On-Line de Descargas Parciais para Avaliação da Isolação Elétrica dos Enrolamentos Estatóricos de Hidrogeradores", XVI ERIAC DECIMOSEXTO ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ, 2015, Comité de Estudio A1 - Máquinas Eléctricas Rotativas, v. A1-08, Puerto Iguazú, [11] P. R. M. Vilhena, F. de S. Brasil, C. J. S. Santos, "Correlação das Medições de Descargas Parciais e Vibrações Mecânicas para uma Dada Condição Operacional de Hidrogeradores", XXIII SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, GRUPO DE ESTUDO GERAÇÃO HIDRAULICA GGH, Foz do Iguaçu, [12] P. R. M. Vilhena, F. de S. Brasil, C. J. S. Santos, M. N. N. Santos, " Análise do Sistema de Isolamento dos Enrolamentos Estatóricos das Unidades Geradoras da Usina Hidrelétrica Coaracy Nunes", XI LATIN-AMERICAN CONGRESS ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2015, São José dos Campos, [13] X. Peng, Z. Jia, S. Gao, L. Wang, Z. Guan, "Study on Stator Winding Degradation under Bar Vibration", IEEE Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, City of Beijing, China, [14] Norma NEMA (National Electrical Manufacturers Association) , / 9