O que fazer e o que não fazer no teste do fator de potência do isolamento - parte 1
Autor: Jill Duplessis, Gerente e editora de marketing técnico global
Os testes de fator de potência (PF) (ou fator de dissipação (DF)) e de capacitância são amplamente utilizados para avaliar a condição do isolamento em transformadores e outros ativos elétricos. Esta breve série de artigos apresenta um guia prático sobre o porquê e o como realizar os testes de PF/DF. Além deste artigo introdutório, o material será apresentado na forma de “o que fazer” e “o que não fazer”, o que, esperamos, facilitará o acesso e a compreensão.
Introdução
Em termos simples, os testes PF/ DF e de capacitância são ferramentas de avaliação da integridade do isolamento elétrico, mas é justo ressaltar que eles estão longe de ser as únicas ferramentas que podem ser usadas para esse fim. Outras opções incluem, por exemplo, medições de resistência do isolamento, análise de gás dissolvido e testes de resposta de frequência dielétrica (DFR). Realizados em conjunto, esses testes fornecem uma imagem muito precisa da saúde e do desempenho do isolamento, mas, por motivos técnicos ou financeiros, esses testes abrangentes nem sempre são possíveis. Nesses casos, os testes de PF/DF por si só ainda podem fornecer informações valiosas.
O PF/DF e a capacitância são testes “2 em 1”: os dois parâmetros de teste, ou seja, (1) fator de potência (ou fator de dissipação) e (2) capacitância, estão relacionados entre si e são convenientemente medidos ao mesmo tempo, mas há um certo grau de separação que deve ser aplicado para entendê-los e analisá-los.
Testes de capacitância
Para fornecer uma base sólida para nossa exploração dos testes de PF/DF, precisamos primeiro considerar os testes de capacitância. Uma das principais funções do isolamento elétrico é armazenar energia elétrica quando submetido a um campo eletrostático, que é exatamente o que um capacitor faz. É possível, portanto, modelar um ativo como um capacitor. Tomando um transformador como exemplo, os enrolamentos e o núcleo correspondem às duas placas do capacitor e o isolamento entre as partes exclusivamente energizadas do transformador corresponde ao dielétrico do capacitor.
Com isso em mente, uma forma de avaliar se o isolamento de um ativo está se comportando bem é observar como a capacitância do “ativo como capacitor” varia com o tempo. Vamos analisar algumas teorias básicas para ver por que isso é útil.
Para um capacitor de placas paralelas com duas placas semelhantes, a capacidade é proporcional à área das placas e inversamente proporcional à distância entre elas. Em outras palavras, se a geometria do capacitor mudar, sua capacitância também mudará. Em nosso exemplo do transformador como capacitor, está bem claro que não estamos falando de um capacitor de placas paralelas. A geometria é muito mais complexa, mas, para nossos propósitos, isso não importa. A mesma regra se aplica: se a geometria do transformador mudar, a capacitância medida também mudará.
No entanto, a capacitância de um capacitor depende não apenas de sua geometria, mas também da permissividade do dielétrico. Se o dielétrico for um vácuo, como geralmente é considerado em exemplos de livros didáticos, a permissividade será Σ0, a permissividade do espaço livre. Em geral, não precisamos saber o valor absoluto de Σ0 ao testar ativos elétricos, mas, caso tenha curiosidade, é cerca de 8,854 x 10-12 farads por metro.
O que precisamos saber é que o dielétrico nos ativos em teste raramente é um vácuo. Em um transformador, por exemplo, geralmente é o papel que é impregnado por um fluido isolante. Ele terá uma permissividade diferente da do espaço livre. O papel impregnado com óleo de transformador normalmente tem uma permissividade entre 3,2 e 3,5 vezes a do espaço livre, e isso geralmente é expresso dizendo que ele tem uma permissividade relativa, Σr, entre 3,2 e 3,5.
Resumindo tudo isso, podemos dizer que a capacitância de um capacitor depende de sua geometria e da permissividade relativa de seu dielétrico. Se esses fatores não mudarem, a capacitância permanecerá a mesma. Então, quando acompanhamos as medições de capacitância feitas em um transformador ao longo do tempo, esperamos não ver mudanças significativas.
No entanto, se houver uma mudança, sabemos agora que ela pode significar uma de duas coisas: ou a geometria do transformador mudou, possivelmente como resultado de uma corrente de falha pesada que levou a uma deformação grave do enrolamento, ou a permissividade do dielétrico mudou notavelmente. Em todos os casos, no entanto, é quase certo que uma alteração significativa na capacitância seja indicativa de um problema que precisa urgentemente de mais investigação.
Capacitores, isolamento e perdas
Embora a simples medição da capacitância de um transformador ou de outro ativo possa, como vimos, fornecer informações úteis, a avaliação das características dessa capacitância geralmente fornece informações ainda mais úteis. Vamos explicar. Os capacitores armazenam energia e, quando submetidos a uma tensão CA, um capacitor perfeito se carregaria durante, digamos, o meio ciclo positivo da alimentação e, em seguida, durante o meio ciclo negativo, devolveria ao sistema de alimentação toda a energia armazenada durante a carga. Com um capacitor perfeito, nenhuma energia seria perdida.
No mundo real, naturalmente, há sempre perdas. As principais razões para isso são os processos de polarização, relacionados ao movimento de átomos e moléculas no dielétrico quando ele é submetido a um campo elétrico variável, e a corrente de fuga através do dielétrico. Em ambos os casos, essas perdas significam que parte da energia armazenada pelo capacitor é perdida na forma de calor. Se o “capacitor” em questão for, na verdade, um transformador ou outro ativo, as perdas estão relacionadas ao isolamento do ativo e o exame das perdas pode revelar muito sobre a condição do isolamento.
O comportamento do isolamento do ativo (o dielétrico no “capacitor”) é mais facilmente compreendido com o auxílio de um diagrama vetorial simples.
Quando uma tensão CA é aplicada a um sistema de isolamento, uma corrente fluirá. No diagrama, isso é representado pelo vetor IT, a corrente total. A corrente total é a soma vetorial de dois componentes, IC, a corrente capacitiva, e IR, a corrente resistiva. A corrente resistiva representa as perdas. Para um isolamento em boas condições, a corrente capacitiva será muito maior do que a corrente resistiva. São de interesse os dois ângulos marcados δ e θ no diagrama, e, em particular, a tangente do ângulo δ, que é o fator de dissociação (DF) do isolamento (embora muitas vezes seja conhecido simplesmente como tan δ); e o cosseno do ângulo θ, que é o fator de potência do isolamento (PF).
É possível observar que, à medida que a corrente resistiva se torna menor, o ângulo δ se aproxima de 0, de modo que DF também se aproxima de 0. Com a diminuição da corrente resistiva, o ângulo θ se aproxima de 90º, o que significa que PF também se aproxima de 0. Na verdade, para um isolamento perfeito, DF = PF = 0. À medida que o isolamento envelhece, a corrente resistiva (IR no diagrama vetorial) aumenta, então PF e DF também aumentam. Além disso, é importante observar que, desde que a IR seja pequena em comparação com a CI, PF e DF serão quase iguais numericamente.
Por que PF e DF?
Esperamos que esteja claro que tanto o DF quanto o PF fornecem informações sobre a condição do isolamento em um ativo, pois ambos aumentam quando as perdas no isolamento aumentam. No entanto, se o DF e o PF são medidas de perdas no isolamento, por que não simplesmente medir essas perdas diretamente?
A resposta é que os resultados obtidos por medições diretas de perdas dependem do tamanho do ativo. Se o sistema de isolamento do ativo A for duas vezes maior que o do ativo B, mas estiver exatamente nas mesmas condições, o isolamento do ativo A terá o dobro das perdas do isolamento do ativo B. Em outras palavras, não há uma maneira fácil de comparar as perdas medidas diretamente entre sistemas de tamanhos diferentes porque, na realidade, não há como quantificar com precisão o tamanho dos sistemas de isolamento dentro dos ativos.
O PF e o DF, no entanto, são medidas relativas que não são afetadas pelo tamanho dos sistemas de isolamento, o que significa que os resultados de PF e DF para diferentes ativos podem ser comparados de forma significativa. Mas o que exatamente significa “relativo”? Para o PF, as perdas relativas significam a quantidade de energia perdida em calor em relação à quantidade total de energia presente no sistema, tanto a energia armazenada quanto a energia perdida. Em outras palavras, voltando ao diagrama vetorial, o PF compara a IR com a IT. Para o DF, as perdas relativas significam a quantidade de energia perdida em relação à quantidade de energia armazenada pelo isolamento. Em outras palavras, o DF compara a RI com a CI. As medições de PF e DF são igualmente úteis, embora algumas organizações possam ter preferência por uma ou outra.
No próximo artigo da série, começaremos a explorar os aspectos práticos dos testes de PF e DF, usando um formato de “o que fazer e o que não fazer”, tratando primeiro das questões de segurança e do conhecimento geral sobre testes de isolamento.
