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Metodologia para Detecção Precoce de Danos no

Isolamento de Unidades Hidrogeradoras através da

Análise do Espectro de Impedância

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Agenda

Introdução

Objetivo do Projeto

Motivação

Falhas em Hidrogeradores

Espectroscopia da Impedância

Padrões de falta

Conclusões.

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Introdução

O diagnóstico precoce de falhas no enrolamento apresenta a grande expectativa que venha a potencializar a avaliação do estado operativo dos hidrogeradores;

Algumas técnicas de monitoração da condição da máquina podem ser dispendiosas, entre estas técnicas podem-se citar: inspeção visual e instalação de transdutores de descargas parciais.

A parada programada para execução de serviços nos hidrogeradores passa pelo crivo do (ONS) e isto implica em programação para parada.

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Objetivo

Monitorar precocemente a condição do isolamento de unidades hidrogeradoras, permitindo melhor planejamento das ações a serem tomadas em função de se ter mais tempo antes da parada da máquina;

Desenvolver um sistema remoto composto de hardware e software para a análise da impedância em uma larga faixa de frequência obtida por meio indireto através da medição dos sinais de tensão e corrente associada à injeção de sinais de alta frequência.

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MOTIVAÇÃO

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Falhas em Hidrogeradores A deterioração dos materiais isolantes sólidos utilizados em máquinas

elétricas deve-se a vários fatores, tais como: umidade, ambientes agressivos, danos mecânicos e aquecimento excessivo, sendo este último mais freqüente

O aquecimento causa dois problemas fundamentais, diminuição do rendimento e envelhecimento ou deterioração – “aging”, do isolamento

O envelhecimento do isolamento é função do tempo e da temperatura. Contudo, mesmo em condições de controle excepcionais, seus efeitos acumulados não estão devidamente estabelecidos

Pode-se considerar que o funcionamento em temperaturas elevadas causa um envelhecimento mais acelerado do isolamento, comparando-se com as condições normais

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Isolamento Típico em Hidrogeradores

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Capacitâncias associadas ao isolante

Cer : capacitor entre o enrolamento estatórico e as chapas do rotor. (Dielétrico = entreferro+isolante de ranhura+isolamento dos fios)Crc : capacitor entre as chapas do rotor e do estator. (Dielétrico = entreferro)Cec : capacitor entre enrolamento estatórico e carcaça. (Dielétrico = isolamento de ranhura + o isolamento dos fios)

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Espectroscopia de Impedância A espectroscopia de impedância é uma técnica de

grande utilidade para quando se pretende caracterizar o comportamento elétrico de materiais sólidos ou líquidos;

Vários tipos de estímulos podem ser considerados, o mais comum é utilizar uma tensão alternada do tipo senoidal e medir as partes real e imaginária da impedância complexa em função da freqüência;

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Espectroscopia de Impedância

Segundo a teoria de sistemas lineares, o comportamento dinâmico de um sistema sujeito a uma perturbação é completamente descrito pela equação:

Aplicando a Transformada de Laplace,

Para um sistema elétrico sujeito a uma diferença de potencial variável V(t), que gera uma corrente alternada I(t), vem

.

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Polarização e Relaxação

Considerando um material dielétrico sob a ação de um campo elétrico externo, constante e uniforme. As equações de Maxwell neste meio (no SI) tem a forma:

O campo magnético efetivo dentro do dielétrico é dado por

é o campo efetivo no interior do meio, chamado de deslocamento elétrico, definido como

onde ε0 é a permissividade dielétrica do vácuo e a polarização do meio dielétrico. A polarização é definida como o momento dipolar por unidade de volume, de forma geral,

D

P

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Polarização e Relaxação

Para meios dielétricos submetidos a campos elétricos variáveis no tempo, os mecanismos de polarização discutidos permanecem válidos. Neste caso, a constante dielétrica se torna uma grandeza complexa dada por

Geralmente, a perda dielétrica é determinada através de um parâmetro conhecido como tangente de perda, sendo δ conhecido com ângulo de perda.

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MODELO PARA ANÁLISE DO ISOLAMENTO PELO ESPECTRO DE IMPEDÂNCIA

O modelo é associado com o de motores de indução trifásico, dado a simplicidade de teste e sua similaridade, no esquema de isolação, envolvendo enrolamento do estator e carcaça, entre espiras do estator e entre espiras e rotor.

Modelo básico de uma das fases do enrolamento do estator

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OS PADRÕES DE FALHA DO ISOLAMENTO PELO ESPECTRO DE IMPEDÂNCIA

A freqüência de ressonância (fres) se desloca para (fcut), quando o enrolamento sofreu alguma modificação

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MODELO PARA ANÁLISE DO ISOLAMENTO PELO ESPECTRO DE IMPEDÂNCIA

Outra situação é, por exemplo, o aumento de umidade no enrolamento do estator.

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MODELO PARA ANÁLISE DO ISOLAMENTO PELO ESPECTRO DE IMPEDÂNCIA

Outro fenômeno que modifica o dielétrico dos isolantes e assim sua capacidade de isolação é a ocorrência de infiltração (percolation) no enrolamento.

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MODELO PARA ANÁLISE DO ISOLAMENTO PELO ESPECTRO DE IMPEDÂNCIA

As situações em que os isolantes são constituídos de cerâmica e ocorre acúmulo de impurezas, essas após serem aquecidas se ionizam e oferecem um caminho alternativo para a corrente.

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PRIMEIROS TESTES DE VERIFICAÇÃO DO MODELO

Tensão 220V Corrente 8,84 A Potência 3CV

Número de pólos 4 Velocidade 1760 RPM Freqüência 60 Hz

Classe de isolação B

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PRIMEIROS TESTES DE VERIFICAÇÃO DO MODELO

A resposta para o motor off-line em condição normal, ou seja, com os isolantes íntegros, à temperatura ambiente e livre de contaminantes ou infiltrações

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fres~98kHz

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PRIMEIROS TESTES DE VERIFICAÇÃO DO MODELO

Outra simulação que justifica o modelo abordado é a ligação de um dos taps do indutor para massa.

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fres~94kHz

fres~98kHz

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Conclusões

As avarias no isolamento dos enrolamentos do estator possuem diversas causas, como esforços térmicos, elétricos, ambientais e mecânicos que atuam nos materiais e componentes dos hidrogeradores, favorecendo o processo de degradação pela redução da resistência com o tempo;

A espectroscopia de impedância consiste em submeter a amostra a ser analisada a um campo elétrico alternado com freqüência variável e pequena amplitude. A amostra, por sua vez, responde com uma corrente alternada. Registra-se, então, um espectro de impedância em função da freqüência e desta informação infere-se os padrões de falha.

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Conclusões

A espectroscopia de impedância usa da variação da freqüência de ressonância que o sistema apresenta em função da perda da rigidez dielétrica causada por diferentes fatores;

O modelo para análise da deterioração do isolamento através do espectro de impedância se modifica para cada tipo de perturbação a que está sujeito o enrolamento do estator, como corte de espiras, infiltração, aquecimento e umidade;

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FIM