Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

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1 CEPEL TESTA MOTORES PARA USO EM ÁREA CLASSIFICADA M. T. F. Silva* C. A. Sanguedo* M. G. Rodrigues* L. C. Azevedo* W. T. Silva* S. L. Junior* V. R. Santos* * CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica RESUMO O CEPEL é o pioneiro no BRASIL a realizar, sob condições de atmosfera de gases e vapores inflamáveis, ensaios dielétricos e de partida em motores de média tensão com tipo de proteção para segurança aumentada. Até 2007 os motores fabricados especialmente para serem utilizados em ambientes com presença de atmosfera explosiva, produzidos pela indústria nacional para utilização em sistemas elétricos de média tensão, só poderiam ter os sistemas de isolação e construção mecânica ensaiados em instituições de pesquisa fora do país. Esses motores estão sendo produzidos pela indústria nacional, para aplicação em plataformas de petróleo e gás, em refinarias e ambientes confinados com possibilidade de emissão de gases inflamáveis. Em função da necessidade de certificação no país de um produto confiável e competitivo e também visando apoiar o desenvolvimento da indústria nacional de motores, a Atividade de Certificação (CERT) em conjunto com o Laboratório de Referência em Medição de Alta Tensão (CA2) e o Laboratório de Média Potência do CEPEL (AP2), iniciaram uma cooperação com objetivo de prover as condições técnicas adequadas e necessárias para que os ensaios pudessem ser realizados no país. Outro ponto de muita relevância que será abordado no trabalho é a alteração na norma de Equipamentos não acendíveis, retirando a partida da máquina rotativa da condição de operação normal para os regimes de operação S1 e S2 [1]. Desta forma regimes de operação de até duas partidas por dia ficam isentos dos ensaios com transitórios de tensão, e o quanto essa medida eleva o risco na operação destes motores tem que ser considerado no peso desta decisão. Será apresentado neste trabalho um histórico do desempenho das amostras ensaiadas com rotor bloqueado e alguns pontos críticos para a realização desse ensaio, como a interrupção adequada da corrente de ensaio e a medição do transitório da interrupção. Também serão apresentados os resultados de cinco anos de avaliação de diversos motores de diferentes fabricantes e as características especiais de desempenho dinâmico do sistema de medição de impulso rápido de tensão. PALAVRAS-CHAVE Motor, atmosfera explosiva, ignição, rotor bloqueado, ensaio, alta tensão, impulso não normalizado, sistema de isolação, segurança aumentada, não acendível. 1 / 7

2 1. INTRODUÇÃO No início de 2007 foram testados os primeiros motores, com tensão nominal de 4,16 kv e 6,9 kv, de acordo com as normas IEC [2] e IEC [3]. Especialmente para esses ensaios as amostras foram encapsuladas em ambientes com atmosfera na presença de hidrogênio ou etileno e mistura estequiométrica com ar para realização dos ensaios normalizados com tensão aplicada, rotor bloqueado e impulsos rápidos de tensão. Os primeiros ensaios foram acompanhados por representantes do fabricante, do OCP e também de especialistas do Physikalisch Technische Bundesanstalt PTB, que avaliaram os resultados como também as características de desempenho dinâmico dos sistemas de medição. Atualmente, uma das dificuldades para a maioria dos laboratórios na realização do ensaio de impulso rápido de tensão é o desempenho dinâmico de divisores de tensão convencionais que limita sua aplicação para impulsos com tempo de frente em torno de 0,8 s. Como é um requisito de ensaio a aplicação de impulsos rápidos não normalizados com amplitude de três vezes o valor de pico da tensão de fase do motor e com tempos de frente entre 0,2 s e 0,5 s, o desempenho dinâmico dos divisores de tensão convencionais restringe sua utilização para essa aplicação específica. Os ensaios necessários para avaliação do dielétrico dos enrolamentos podem ser realizados em uma amostra de um estator completo, ou um estator com invólucro do motor, um motor ou um motor parcialmente enrolado. Para todos os casos as amostras de ensaio estavam como novas, representavam um estator completo e também passaram por um ensaio de envelhecimento prévio. Os enrolamentos dos motores foram ensaiados utilizando uma mistura explosiva de acordo com o grupo de equipamento: IIC, IIB ou IIA. A aprovação da amostra está condicionada a não ignição da mistura. Para possibilitar a realização do ensaio de impulsos rápidos no CEPEL foi necessário o projeto e construção de um sistema de medição composto principalmente por um divisor de tensão especial, para até 50kV de impulso, com alto desempenho dinâmico, do tipo resistivo de baixa impedância em conjunto com um atenuador resistivo. Para registrar o sinal de impulso foi utilizado um osciloscópio de 1GHz / 4GS/s. 2. OBJETIVO O objetivo dos ensaios adicionais para grandes máquinas ou máquinas de alta tensão é poder avaliar a segurança dos equipamentos, quando submetidos a impulsos rápidos de tensão não padronizados, ensaios de partida do motor (rotor bloqueado) e também ensaio de rigidez dielétrica, com o equipamento totalmente imerso em ambiente com gás hidrogênio e ou etileno, buscando determinar se a energia liberada pelas correntes circulantes pelo sistema de isolação, em condições críticas, podem causar a explosão destas atmosferas. Diversas variações de materiais isolantes dos enrolamentos foram avaliadas e testadas pelos fabricantes. 3. NORMALIZAÇÃO A seguir são descritas as características dos ensaios de acordo com as normas ABNT NBR IEC /2008 Atmosferas explosivas: Proteção de equipamentos por segurança aumentada e e ABNT NBR IEC /2007 Equipamentos elétricos para atmosferas explosivas: Construção, ensaio e marcação de equipamentos elétricos com tipo de proteção n. 3.1 Características dos ensaios De acordo com [2] os ensaios devem ser realizados em uma das seguintes amostras: um estator completo, um estator com invólucro do motor, um motor ou um motor parcialmente enrolado. 2 / 7

3 Em todos os casos, a amostra de ensaio estava como nova e representava um estator completo. Os sistemas de isolação e cabos de conexão foram ensaiados em uma mistura explosiva como apresentado na Tabela 1 de acordo com o grupo de equipamento. Nenhuma ignição da mistura explosiva pode ocorrer durante o ensaio. A figura 1a representa um estator sendo preparado para o ensaio e a figura 1b um detalhe de falha no isolamento após ensaio. Tabela 1 Misturas para ensaios de explosão. Grupo de equipamento Mistura de ensaio no ar IIC (21 ± 5)% hidrogênio IIB (7,8 ± 1)% etileno IIA (5,25 ± 0,5)% propano Figura 1a - Amostra de estator completo encapsulado com gás. Figura 1b - Detalhe da falha no isolamento após ensaio. Visando manter a segurança nos ensaios e minimizar os efeitos de uma explosão da amostra dentro do laboratório de Referência em Medição de Alta Tensão foi necessária a instalação de buchas de passagens na parede lateral do laboratório, possibilitando assim a execução do ensaio de forma segura com a amostra fora do hall de alta tensão Impulso de tensão não normalizado com frente rápida A amostra deve ser submetida a 10 impulsos de tensão não inferior a três vezes o valor de pico da tensão de fase e terra e com tempo de frente entre 0,2 s e 0,5 s, e um tempo até o meio valor de no mínimo 20 s. Os impulsos foram aplicados entre fases e separadamente fase a terra. Uma forma de onda típica do impulso não normalizado está apresentada na figura 2. Figura 2 - Forma de onda do impulso com tempo de frente de 0,42 s e tempo até o meio valor de 25 s. 3 / 7

4 3.1.2 Ensaio da construção da gaiola do rotor (rotor bloqueado) Para avaliar a construção do rotor e o risco de ignição devido aos esforços de aceleração do rotor, uma amostra do motor com rotor envelhecido por subsequentes partidas (50 partidas), preenchida com mistura explosiva, e com rotor previamente bloqueado, foi submetida a 10 aplicações com tensão nominal, com duração de 1s, cada aplicação. A tensão nos terminais do motor não pode cair abaixo de 90% da tensão nominal durante o ensaio. O desempenho do equipamento sob ensaio, que foi monitorado no laboratório de Média Potência por inspeção visual e filmagem de alta velocidade, é considerado satisfatório na condição de não haver ignição da mistura explosiva Ensaio de ignição em regime contínuo A amostra, preenchida com mistura explosiva, deve ser submetida a uma tensão senoidal (60Hz) com valor de pelo menos 1,5 vezes a tensão eficaz nominal da rede de alimentação por pelo menos 3 min. A taxa máxima de subida da tensão deve ser 0,5 kv/s. A tensão foi aplicada entre uma fase e terra com as outras fases em curto e aterradas. O desempenho do equipamento sob ensaio é considerado satisfatório na condição de não haver ignição da mistura explosiva. 4. SISTEMAS DE MEDIÇÃO 4.1 Impulso rápido de tensão Atualmente, os divisores de tensão convencionais utilizados para medição de impulsos atmosféricos de tensão, não possuem desempenho dinâmico adequado para realizar o ensaio requerido de impulso não normalizado com frente rápida entre 0,2 s e 0,5 s. Então, para realizar este ensaio de impulso foi necessário o projeto e construção de um sistema de medição composto principalmente por um divisor de tensão especial, para até 50 kv com alto desempenho dinâmico, do tipo resistivo de baixa impedância, um cabo coaxial, atenuador resistivo e um osciloscópio de 1GHz / 4GS/s. O divisor resistivo de alto desempenho foi construído utilizando técnicas para minimizar o efeito indutivo nas unidades de alta e baixa tensão [4]. Na figura 3 é apresentado um diagrama elétrico do sistema de medição como também os valores nominais dos componentes de alta e baixa tensão do divisor de tensão resistivo. Componentes do divisor de tensão resistivo: Resistência de alta tensão, R 1 = 1,0 kω; Resistência de baixa tensão, R 2 = 37,0 Ω; Resistência de casamento, R 0 = 50 Ω; Resistência de alta tensão do atenuador, r 1 = 47,0 Ω; Resistência de baixa tensão do atenuador, r 2 = 3,0 Ω. Figura 3 - Diagrama elétrico básico do sistema de medição de impulso e componentes do divisor. A avaliação do desempenho dinâmico do sistema de medição foi verificada pela medição da resposta a um degrau de tensão com tempo de subida de 4 ns. Na figura 4 é apresentada uma análise dos parâmetros de resposta calculados como também uma foto do divisor. A partir dos cálculos dos parâmetros de resposta, em especial o tempo de estabilização ts, pode-se verificar que o divisor está adequado para aplicação em ensaios com impulsos rápidos de tensão com tempo de frente 50 ns. 4 / 7

5 Como não existem requisitos normalizados de desempenho dinâmico para o sistema de medição utilizado na medição do impulso rápido de tensão foi necessário complementar a verificação da adequação com uma comparação em alta tensão. Foi utilizado como referência um sistema de medição usado no ensaio de perfuração de isoladores [5], com características dinâmicas adequadas para medição de impulsos com tempo de corte entre 100 ns e 200 ns. Os resultados da comparação foram satisfatórios tanto do ponto de vista do fator de atenuação como também pelos erros nos parâmetros de tempo dos impulsos. Figura 4 Comportamento dinâmico e foto do divisor resistivo de alto desempenho. 4.2 Ensaio com rotor bloqueado Para este ensaio, utilizaram-se sistemas de medição compostos por instrumento de medição, sistema de fibra óptica (transmissor, cabo e receptor) e sistema de aquisição de dados. Para a medição de corrente, utilizou-se resistência de derivação e, para a medição de tensão, divisor de tensão. Neste ensaio, é necessário que a interrupção de corrente gere o mínimo de sobretensão para garantir a avaliação correta do equipamento, o que requer que o sistema de medição de tensão seja adequado para monitorar o transiente de interrupção. 4.3 Tensão aplicada em corrente alternada Para esse ensaio foi utilizado um sistema de medição de referência rastreado e acreditado pelo INMETRO de acordo com a norma ABNT NBR ISO/IEC 17025[6]. 5. CERTIFICAÇÃO Uma vez que a estrutura de ensaio, infraestrutura laboratorial e sistemas de medição utilizados, envolveram atividades multidisciplinares, que em situação normal não operam em conjunto, a atividade de certificação participou da validação do método e da acreditação dos resultados atuando em conjunto com pesquisadores do PTB - Physikalisch Technische Bundesanstalt, Braunschweig, Alemanha. A integração de recursos de ensaio e sistemas de medição de alta tensão e alta potência (cerca de 3 MVA) em ambientes de atmosferas explosivas controlados é uma especificidade permitida em poucos laboratórios no mundo atual, o que torna este ensaio de grande interesse nas comunidades técnicas normativas para adequação e validação prática dos requisitos normativos. 5 / 7

6 6. RESULTADOS Na Tabela 2 são apresentados os resultados obtidos no Laboratório de Referência em Medição de Alta Tensão com motores testados para a mistura que requer maior nível de isolamento (IIC), e uma estatística de falha para os diversos ensaios realizados em motores de diferentes fabricantes e níveis de tensão. Em função dos resultados observa-se diferença significativa de desempenho entre os fabricantes para motores com maior nível de tensão, como também uma maior probabilidade de falha de isolamento nos ensaios com impulsos rápidos de tensão. Para todos os casos de falhas de isolamento ocorreu a ignição da mistura. Fabricante A B Tabela 2 Resultados dos ensaios e análise de falha. Número de motores sob Falha no ensaio de tensão aplicada ensaio Tensão nominal (kv) Análise de falha para ensaio com mistura de hidrogênio (IIC) Falha no ensaio de Impulso rapido 4,0 2 50% (uma falha) 0% 6,9 2 0% 0% 4,16 5 0% 80% (quatro falhas) 6,6 4 50% (duas falhas) 75% (três falhas) No ensaio de rotor bloqueado, sobretensões devido à interrupção de corrente, podem provocar ignição na mistura inflamável e reprovação do equipamento. Para isso, deve-se evitar circuito de ensaio puramente indutivo e utilizar disjuntor com tempo de abertura adequado para minimizar sobretensões. No CEPEL, foram realizados 9 ensaios com rotor bloqueado em motores de potência nominal de 400 W e tensão nominal de 4,16 kv, todos de mesmo fabricante, sendo 6 ensaios com motores preenchidos com hidrogênio (grupo IIC) e 3 com etileno (grupo IIB), conforme descrito na Tabela 1. Das amostras preenchidas com hidrogênio houve 3 amostras aprovadas e 3 reprovadas. Das preenchidas com etileno houve 2 aprovações e 1 reprovação. 7. OBSERVAÇÕES GERAIS Observa-se nesse trabalho um importante fator de inovação pelo seu pioneirismo na realização dos ensaios, como também por manter e desenvolver no país a capacitação técnica e experiência necessária e fundamental para a realização dos ensaios, tanto do ponto de vista das instalações laboratoriais como de pessoal. O trabalho também propicia economia significativa aos fabricantes nacionais, principalmente na fase de desenvolvimento, além de colaborar com a indústria nacional de motores de média tensão para aplicação em atmosferas potencialmente explosivas. 8. CONCLUSÕES Os ensaios realizados no CEPEL, e acompanhados pelo PTB, contribuíram para consolidar conceitos e novas metodologias de ensaio, bem como subsidiar novas discussões na especificação de motores de média tensão utilizados em ambientes com presença de gases inflamáveis. Em função dos resultados obtidos, devem ser propostas mudanças nas normas atuais da série IEC e IEC e um limite máximo de partidas por tempo deve ser definido, bem como os requisitos para os dispositivos de proteção devem ser adicionados. 6 / 7

7 Sob o ponto de vista do fabricante buscou-se o aperfeiçoamento do projeto do equipamento a partir das informações obtidas nos ensaios, visto que das 4 reprovações, 3 ocorreram nos primeiros ensaios. A realização de estudos e ensaios adicionais é fundamental para subsidiar novos requisitos normativos e parametrizar os limites seguros construtivos destes equipamentos. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a colaboração e empenho de todos aqueles que contribuíram para este trabalho, em especial as equipes de ensaios dos laboratórios e da certificação, como também ao CEPEL pelo apoio institucional. BIBLIOGRAFIA [1] IEC /2010 Explosive atmosphere - Part 15 - Equipment protection by type of protection n ; [2] ABNT NBR IEC /2008 Atmosferas explosivas: Proteção de equipamentos por segurança aumentada e ; [3] ABNT NBR IEC /2007 Equipamentos elétricos para atmosferas explosivas: Construção, ensaio e marcação de equipamentos elétricos com tipo de proteção n. [4] Dynamic Behavior of Non-Inductive Resistor for HV Impulse Applications, Ninth International Symposium on High Voltage Engineering, September/1995 Oliveira O. B., Chagas F. A., Cerqueira W. R., Alvarenga E. [5] Kit for Performing Puncture Test on HV Insulators, 10 th International Symposium on High Voltage Engineering, August/1997 Oliveira O. B., Mello D. R., Cerqueira W. R., Alvarenga E. [6] ABNT NBR ISO/IEC Requisitos Gerais para competência de laboratórios de ensaios e calibração, Rio de janeiro, / 7