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 MEDIÇÃO DA CONCENTRAÇÃO DE OZÔNIO COMO FERRAMENTA NO DIAGNÓSTICO DE ENVELHECIMENTO DA ISOLAÇÃO POR DESCARGAS PARCIAIS EM HIDROGERADORES A. A. Lima* P. R. D. Oda* I. M. Fattori* E. M. Leal* O. J. de Souza* *Companhia Energética de São Paulo CESP RESUMO A CESP, ao longo dos anos vem estudando e aplicando metodologias diversas na busca da melhoria nos diagnósticos de envelhecimento da isolação de seus geradores durante a operação normal, visando antever possíveis falhas cujos danos poderiam se tornar incalculáveis e ainda prolongar e estimar a vida útil dos geradores, cujas fabricações datam da década de 70 em mais de 40% do parque gerador da CESP. O Ozônio, ou O 3, é um gás cuja formação pode ocorrer durante as descargas parciais no ar. No caso de um gerador, seriam descargas parciais nas superfícies do laminado estatórico e/ou das barras para o ar. As descargas parciais ocorrem como resultado da degradação do material semicondutivo das barras ou do grading anti corona ou ainda devido ao espaçamento insuficiente entre as barras na região externa ao núcleo estatórico. Entre as metodologias de diagnóstico da degradação da isolação durante a operação comercial dos geradores, a CESP tem implantado sistemas de monitoramento de descargas parciais on-line através de acopladores capacitivos e sensores de temperatura e das medições da concentração de ozônio no ar de refrigeração dos radiadores na sala dos geradores. Este último, tornou-se possível a partir de 2010, quando a CESP adquiriu o equipamento da Thermo Enviromental Instruments - Model 49C portátil e desde então vem realizando medições da concentração de ozônio nas salas dos geradores. Em conjunto com os demais sistemas de monitoramento, a medição da concentração de ozônio tem permitido diagnosticar e acompanhar a evolução das descargas durante a operação normal, sem a necessidade de instalação de instrumentos ou parada da unidade geradora. A CESP tem realizado medições em todo o seu parque gerador, buscando identificar um padrão da concentração de ozônio em cada unidade, e avaliar a evolução para o caso de uma possível intervenção para inspeção detalhada do enrolamento e núcleo estatórico. O trabalho ilustrará os resultados encontrados pela CESP com as medições das concentrações de ozônio no interior das salas dos geradores. Serão apresentados os estudos em desenvolvimento para a localização física das descargas parciais no gerador. 1 / 8

2 Por fim, além do aspecto técnico de avaliação da degradação da isolação dos geradores, abordamos os tópicos do Anexo 11 da Resolução Normativa Nº 15 do Ministério do Trabalho, o qual estabelece limites de tolerância para a exposição de trabalhadores a concentrações de ozônio no ambiente de trabalho como critério de insalubridade. PALAVRAS-CHAVE Descargas Parciais, Ozônio, Hidrogerador. 1. INTRODUÇÃO A CESP iniciou em 2006 um plano de instalação de acopladores capacitivos para monitoramento de descargas parciais para todos os geradores das UHEs Porto Primavera, Jupiá e Ilha Solteira no intuito do acompanhamento do desempenho e envelhecimento dos geradores. Em 2010, a CESP adquiriu um equipamento de medição da concentração de ozônio no ambiente para entender a distribuição e comportamento do ozônio nas salas dos geradores e relacionar à incidência de descargas parciais medidas através dos acopladores capacitivos. A correlação da concentração de ozônio com a presença de descargas parciais é percebida quando há diferenças da concentração entre a sala do gerador e do ambiente externo. Uma vez identificada a presença das descargas parciais, parte-se para a localização das descargas em torno dos radiadores dos geradores. Desta maneira, a medição de ozônio pode se tornar uma ferramenta para a detecção, localização e estimativa da quantidade de descargas parciais num gerador durante a sua operação normal. O ozônio, ou O 3 é um gás encontrado na estratosfera, onde é formado quando os raios ultravioleta irradiam a molécula de oxigênio. A ocorrência de descargas elétricas também podem romper as ligações da molécula de oxigênio, cujos íons irão formar uma molécula de ozônio. No nível do solo, o ozônio é encontrado naturalmente em concentrações de 20 a 35 partes por bilhão (ppb). O ozônio também pode ser gerado através de uma reação química entre óxidos de nitrogênio e alguns componentes orgânicos voláteis. As descargas elétricas possuem energia suficiente para transformar oxigênio em ozônio, consequentemente, motores elétricos ou geradores são fontes potenciais de ozônio quando da ocorrência de descargas parciais. Neste caso, a reação química que ocorre é: O 2 + e -> -2O* + e- O radical livre O* reage com outra molécula de oxigênio resultando: O* + O 2 ->O 3 Uma vez formado, o ozônio é uma molécula relativamente instável, podendo permanecer por até 3 dias. O ozônio é um dos agentes oxidantes mais potentes, sua reação com materiais oxidáveis como materiais ferrosos e poliméricos favorece a diminuição de sua concentração. As reações com outros contaminantes do ar também consome ozônio através da oxidação. Temperaturas elevadas e umidade aceleram os processos de reação. O tempo de meia-vida do ozônio em ambientes fechados em geral 2 / 8

3 não passa de 30 minutos. Em ambientes fechados, onde não há formação de ozônio, a concentração gira em torno de 5 a 20 ppb. Diversas pesquisas a respeito da concentração de ozônio em hidrogeradores tem sido realizadas no mundo, entre elas podemos citar a usina de Davis Dam no Arizona EUA, onde a concentração de ozônio era tão elevada que um névoa azulada podia ser observada na sala do gerador. As medições realizadas neste local mostraram uma concentração de ozônio da ordem de ppb. Inspeções visuais no estator revelaram deterioração da camada semi condutiva do enrolamento estatórico. Em 1993 foram realizadas medições da concentração de ozônio na Usina de Peace Canyon no Canadá onde a concentração de ozônio girou em torno de 100 a 500 ppb dentro da sala dos geradores. Deterioração e degradação acelerada da isolação também foram reveladas. Nas usinas da Hydro Quebec, concentrações de ozônio da ordem de 30 a 60 ppb foram medidas em 2002 na sala dos geradores. Em 2007 os valores medidos mais que dobraram, indicando a evolução dos níveis de descargas parciais nos geradores. 2. DESENVOLVIMENTO As primeiras medições foram realizadas na UHE Jupiá em 2010 nos hidrogeradores nº 01, 02, 04, 05, 06, 07, 08, 09, 10, 12 e 14, sendo as unidades 04, 05, 08 e 09 de 130 MVA e as demais em 112 MVA. A UG-04 foi reformada em 1991 e as UGs 05, 08 e 09 em 2000, incluindo substituição de núcleo e enrolamento estatórico além da alteração da classe de isolação de B para F. As demais unidades entraram em operação entre os anos de 1969 e 1974 e são de classe de isolação B. Todas as Unidades operam com tensão nominal de 13,8 kv. Em 2012 iniciaram-se as medições na UHE Ilha Solteira, nas Unidades de 01 a 20, com exceção da UG-06 que estava em manutenção. Todas os geradores com potência nominal entre 170 e 205 MVA, classe F de isolação, entraram em operação comercial entre 1973 e 1978 e operam com tensão nominal em 14,4 kv. Parte destes geradores passou por reformas e repotenciações incluindo substituição completa do enrolamento e do núcleo estatórico. 2.1 UHE Jupiá Para a UHE Jupiá, os resultados foram separados para uma melhor análise entre Geradores de classe F reformados e geradoresa de classe B, com mais de 35 anos em operação comercial. As UGs 01 e 02 são de mesmo projeto e fabricante e ambas entraram em operação comercial em 1969, entretanto, ao longo de seus 43 anos, a UG-02 vem apresentando quantidade de falhas significativas em relação à UG-01, entre elas, curtos circuitos entre espiras devido a ataque de óleo à isolação, vibração de lâminas com consequente falha à terra, fusão do barramento de neutro e circular e reparos com jumpeamentos de bobinas. A UG-01 apresentou pouquíssimas falhas em relação à UG-02, dentre elas, curto circuito devido ao ataque de óleo à isolação. Apesar da diferença de desgaste entre elas, observamos através da Figura 1, concentração pouco mais elevada na UG-02, porém sem indicativos de formação de ozônio em nenhuma das UGs. 3 / 8

4 Figura 1: Geradores Classe B. Observamos que as UGs de classe B, no gráfico acima, apresentaram valores de concentração de ozônio de até 80 ppb (UG-06). Esta UG, de mesmo projeto das UGs 01 e 02 é uma das que mais sofreram com curto circitos nos enrolamentos estatóricos e sua isolação é asfáltica. Observou-se na última manutenção que esta camada asfáltica tem escorrido, deixando parte da isolação principal exposta. Passou por jumpeamentos e por ataque de óleo à isolação princial, entretanto o nível de concentração observado é moderado, uma vez que os geradores de classe B, apresentam menores níveis de vibrações das barras nas ranhuras quando comparados aos geradores de classe F durante a operação normal e mantidas as demais condições de temperatura e umidade. 4 / 8

5 Figura 2: Geradores Classe F. Com relação aos geradores já reformados, na Figura 2, observamos um baixo nível da concentração de ozônio na sala dos geradores, entretanto observa-se que a UG-05 apresenta uma queda acentuada do radiador 1 para o radiador 12. Isto se deve a um problema no processo de medição, pois houve o desligamento indevido do equipamento e na sequência não se aguardou o período suficiente para a aquisição das medições e estabilização do equipamento. Para uma melhor análise dos resultados das medições nas UGs reformadas, excluímos os dados da UG-05, conforme o gráfico da Figura 3. Observa-se que nenhumas das UGs apresentaram valores consideráveis de formação de ozônio na sala do gerador. As medições de descargas parciais através dos acopladores capacitivos também não apresentaram valores significativos de descarga. 5 / 8

6 Figura 3: Geradores Classe F. 2.2 UHE Ilha Solteira Os geradores da UHE Ilha Solteira que passaram por medições são todos de classe F de isolação e os resultados estão apresentados na Figura 4. Os geradores possuem mais de 30 anos em operação comercial, entretanto, alguns deles como as UGs 01, 02 e 18 já passaram por reforma. O gerador da UG-15 foi o que apresentou os maiores níveis de concentração de ozônio, moderado para alto. Observamos que esta UG nunca passou por reforma ou reisolação e apresentou poucas falhas ao longo de seus 37 anos de operação, entretanto evidencia uma característica de projeto. As UGs 15, 12, 08, 07 e 09 foram as que apresentaram maiores índices de concentração de ozônio, todas de mesmo projeto e fabricação e 37 anos de operação, caracterizando comportamento semelhante inclusive com relação à pouca quantidade de falhas. 6 / 8

7 Figura 4: Geradores Classe F. Objetivando melhor entendimento e compreensão dos dados, a Figura 5 ilustra um gráfico com os mesmos dados da Figura 4, excluindo-se a UG-15. Figura 5: Geradores Classe F. 7 / 8

8 Analisando-se a Figura 5, observa-se mais claramente o comportamento semelhante entre as UGs de mesmo projeto e fabricação. As UGs 01 e 02 foram as UGs que apresentaram os menores índices de concentração de ozônio, ambas reformadas em 2000 e 2001 com substituição completa do enrolamento e núcleo estatórico. 6. CONCLUSÃO Os resultados apresentados mostram que os geradores analisados até o momento apresentaram baixos níveis de concentração de ozônio se comparados aos estudos citados na introdução. Em alguns casos, os níveis encontrados na sala do gerador são semelhantes aos níveis encontrados no ambiente externo. As UGs reformadas da UHE Jupiá apresentaram níveis de concentração de ozônio abaixo dos níveis normalmente encontrados em ambientes fechados, onde não há a produção de ozônio. Portanto nestas UGs não existem descargas parciais elevadas, que possam aumentar a concentração de ozônio no ambiente. Para as UGs mais antigas da UHE Jupiá, existe atividades de descargas parciais mais elevadas, especialmente a UG-06. Na UHE Ilha Solteira os maiores índices de concentração de ozônio referem-se aos geradores de mesmo projeto e fabricação. Os níveis encontrados na UG-15 são considerados moderados para elevados. A NR-15, estabelece que a concentração de ozônio no ambiente de trabalho caracteriza grau de insalubridade máximo, caso ultrapasse os limites. Por esta NR, é aceitável o limite de até 80 ppb por 48h semanais de jornada de trabalho. Dentre as UGs analisadas, a UG-06 da UHE Jupiá e as UGs 12, 08 e 15 da UHE Ilha Solteira foram as únicas que apresentaram valores em torno deste limite, entretanto a UG-06 está programada para reforma geral do gerador em 2013 e as UGs da UHE Ilha Solteira estão contempladas no plano de reforma até 2016, e além disso, os valores foram medidos na sala do gerador, onde não é local de trabalho, a menos de situações especiais. A NR-15 não estabelece valor teto, permitindo a exposição por períodos curtos. A OHSA recomenda o valor limite de 100 ppb, e o valor teto de 300 ppb, ou seja, o trabalhador poderá estar exposto a concentrações de ozônio entre 100 e 300 ppb por até 15 min 4 vezes ao dia. BIBLIOGRAFIA HydroWorld.com Warren V., Stone G., Fenger M., Advancements in Partial Discharge Analysis to Diagnose Stator Winding Problems, Conference Record of the 2000 International Symposium on Electrical Insulation, pp , Anaheim, California, USA, April 2-5, / 8