Tensões de teste de isolamento do motor: qual é o limite seguro para tensões altas?

Autor - Stephen Drennan 

Um artigo recente na Electrical Tester discutiu as tensões de teste de isolamento dos cabos e analisou a confusão que às vezes existe em relação à escolha da tensão de teste mais apropriada e do método de teste para uma aplicação específica. Este artigo analisa problemas semelhantes, mas lida com o teste de motores em vez de cabos.

Conforme mencionado no artigo anterior, há muitas opções para testar o isolamento e a Megger fornece uma ampla gama de testadores para tais aplicações, de testadores de isolamento de 50 V a 15 kV, por meio de conjuntos de testes VLF e AC Tan Delta para instrumentos de resposta de frequência dielétrica de diagnóstico e, sob a marca Baker equipamentos de teste de motores especializados de até 40 kV.

Ao testar motores, é importante ter em mente que são dispositivos eletromecânicos complexos com um conjunto complexo de modos de falha e opções de diagnóstico relacionadas. Veremos as falhas dos sistemas elétricos/de isolamento do motor, como gerenciar a vida útil dos motores adotando um regime de teste apropriado e as preocupações que, às vezes, são expressas sobre as tensões "altas" usadas para testes de sobretensão. 

Um regime de teste projetado para uma determinada instalação deve primeiro considerar como os esforços de manutenção podem ser otimizados para os vários motores em uso. O monitoramento contínuo, usando, por exemplo, o sistema Baker NetEP, pode ser selecionado para os motores mais críticos. Ao monitorar uma ampla gama de parâmetros, incluindo a corrente e os espectros de corrente, o NetEP pode resolver muitos problemas que podem estar se desenvolvendo – desde barras de rotor quebradas até saturar os transformadores de fornecimento. O sistema gera uma série de sinalizadores "Atenção", "Cuidado" e "Aviso", facilitando o planejamento de ações de manutenção. 

Testes on-line – ou seja, testes enquanto o motor está em funcionamento – também podem ser realizados conforme necessário com um monitor portátil on-line, como o Baker EXP4000. 

Essas técnicas on-line não podem informá-lo sobre todos os tipos de falhas incipientes. Na verdade, quando avisos são fornecidos, um diagnóstico completo pode exigir testes complementares off-line. Além disso, os testes off-line geralmente são usados por conta própria em um regime de manutenção planejado que retira os motores off-line para testes e outras atividades de manutenção em intervalos apropriados. Em comparação com os testes on-line, os testes off-line fornecem diferentes percepções sobre a condição do motor; as duas abordagens para os testes são, portanto, complementares. 

O teste off-line opera aplicando um estímulo de algum tipo ao motor e medindo a resposta. É como quando um médico pede que você cruze as pernas e, em seguida, bate com um martelinho no seu joelho para observar o reflexo produzido. Este exame rápido permite que um médico avalie a sua resposta neurológica espinhal – não é para testar a reação produzida. 

Os testes de aceitação/rejeição são uma parte inestimável de cada regime de manutenção. As opções incluem resistência de isolamento, corrente de fuga, índice de polarização e teste de tensão de passo e há poucas pessoas que argumentam sobre os benefícios desses testes elétricos principais. No entanto, esses testes não revelarão uma das falhas iniciais mais comuns dos motores: ruptura do isolamento entre as espiras. Para detectar essa ruptura, é necessário usar um teste de surto. Infelizmente esta é a área que gerou alguma confusão em relação às tensões "altar" envolvidas. 

Em um teste de surto, uma corrente de teste de curta duração com um tempo de elevação rápido, normalmente em torno de 100 ns, é gerada e aplicada à bobina do motor. O equipamento de teste captura a resposta da bobina, que assume a forma de uma oscilação decrescente, ou sinal transitório. Se a bobina do motor estivesse no ar, o pulso estaria se deslocando a quase a velocidade da luz e a tensão seria distribuída uniformemente pelas bobinas. Mas em um motor, a bobina não está no ar, é enrolada em torno de um núcleo de aço e assim que o pulso viaja muito mais lentamente. 

Na verdade, normalmente levará 100 ns para o pulso viajar de uma espira da bobina para a próxima, o que é igual ao tempo de subida do pulso. O resultado é que o pulso produz uma diferença de tensão significativa entre as espiras adjacentes da bobina, algo que é impossível obter com qualquer outra técnica de teste. O teste de surto revelará, portanto, pontos fracos do isolamento espira-espira. 

Uma espira com falha será curta e isso será mostrado por um salto na frequência de toque da bobina (ela se torna, na verdade, uma bobina diferente neste ponto do teste). Grandes saltos de frequência podem ser vistos claramente no visor do testador, mas o software do instrumento também usa análises matemáticas para revelar anomalias que são menos fáceis de identificar por olho.

FIGURA 1: Detecção de falhas no isolamento entre espiras por teste de surto 

A Figura 1 fornece exemplos de sinais de surto para um bom enrolamento e um enrolamento com isolamento fraco ou curto espira-espira. Os traços das três fases do enrolamento devem ser idênticos no gráfico, mas, como é possível ver, o traço de um enrolamento com um curto espira-espira é diferente dos traços das outras duas fases.

FIGURA 2: Análise de relação da área de erro (EAR)

Para facilitar a identificação desses problemas, o equipamento de teste Baker da Megger usa a análise de EAR. Isso mostra claramente a diferença entre os pulsos (Figura 2) e, quando os limites são definidos, o isolamento de espira-espira fraco pode ser identificado rapidamente. 

Existem outros efeitos devido à filtragem dos componentes de frequência mais alta da onda de pulso como resultado da atenuação pelo aço e pela própria indutância das bobinas. A velocidade de propagação da onda de pulso é, no entanto, o aspecto-chave que permite que o teste de surto detecte espiras ruins. 

Mas qual tensão geral é necessária para mostrar essas falhas de conversão, e essa tensão poderia ser prejudicial se aplicada a um motor sem falhas? Como as tensões de teste se relacionam à força dielétrica dos enrolamentos? 

Para responder a essas perguntas, vamos dar uma olhada em um exemplo. Quando um motor de 415 V é montado, o isolamento aplicado ao fio usado para enrolar o estator tem uma força dielétrica de aproximadamente 8000 V. durante sua vida útil esse isolamento se degradará principalmente devido ao calor no motor, mas também como resultado das condições ambientais e dos movimentos da bobina que surgem da partida, parada e mudanças de carga.

FIGURA 3: Deterioração do isolamento da bobina ao longo do tempo 

Na Figura 3, é possível ver que o isolamento se torna mais fino ao longo da vida útil do motor.

FIGURA 4: Tensão de teste de sobretensão versus a força dielétrica de um motor de 460 V e picos de tensão típicos que ele vê em serviço 

O teste de surto pode detectar o início dessa deterioração sem afetar negativamente o desempenho do motor. O gráfico na Figura 4 ilustra as tensões envolvidas em relação à força dielétrica do isolamento do enrolamento do motor. Também estão ilustrados os picos de tensão esperados; os motores em operação em um sistema de energia industrial ou comercial estão sujeitos a esses picos de tensão o tempo todo, seja a partir de um disjuntor que está sendo aberto e fechado ou por meio da operação de acionamentos de velocidade variável Em um motor em operação normal, que não sofreu deterioração eletromecânica significativa doisolamento, a tensão de teste de surto está muito abaixo da força dielétrica do isolamento. 

Para voltar à analogia do médico batendo no joelho com um martelinho: Se esse teste estivesse sendo realizado com um martelo pesado e o médico fosse o Arnold Schwarzenegger dando uma bela martelada no seu joelho, agora você teria motivos para ficar preocupado com o teste do martelo. Mas na prática, não é assim que as coisas acontecem. 

E é o mesmo com um teste de surto gerado por um testador Baker DX. Ele aplica uma tensão e um tempo de elevação para permitir que você veja a resposta entre bobinas, mas com um sinal controlado em tensão, tempo e energia, de modo que o impacto no motor seja semelhante aos picos que o motor recebe como resultado de variações típicas do sistema de energia durante a operação diária. 

Em conclusão, um teste de surto deve fazer parte do kit de ferramentas de diagnóstico de todos os profissionais de manutenção e gerenciamento de instalações do motor, que podem ter certeza de que uma falha encontrada ao realizar esse teste evitou uma falha não planejada provável e o desligamento da fábrica. Além disso, o teste de sobretensão é, na verdade, recomendado por muitas normas de teste de motores.