Teste de sobretensão em motores elétricos – colocando um ponto final na discussão (parte 1)

Mike Teska - Gerente de linha de produtos

Durante muitos anos, os especialistas em manutenção preditiva e confiabilidade de motores debateram os méritos do teste de sobretensão. Perguntas sobre os benefícios e as conclusões do teste alimentaram discussões acaloradas em fóruns e salas de reuniões em todo o mundo. Alguns membros da comunidade de confiabilidade de motores acreditam que o próprio processo de encontrar a fraqueza do isolamento em um motor elétrico por meio do teste de sobretensão danifica o isolamento dielétrico restante, de modo que o motor não continuará a operar. Outros acreditam que o teste acima da tensão de operação é absolutamente necessário para verificar a integridade do isolamento e não precipita os pontos fracos do isolamento.

Então, qual é a verdade? O teste de sobretensão, feito corretamente, pode ajudar o setor a reduzir o dispendioso tempo de inatividade, ou é apenas ilusão? O fato de os setores de fabricação e reparo de motores exigirem especificamente o teste de sobretensão para verificar a integridade do isolamento supera os poucos que acham que o teste de sobretensão prejudica a confiabilidade? Ou houve tanta desinformação publicada que o verdadeiro benefício do teste foi confundido?

Este artigo, dividido em duas partes, descreve o princípio, o desempenho adequado e os efeitos do isolamento do teste de sobretensão, e a segunda parte inclui resultados de testes de motores que devem encerrar a discussão.

Princípio do teste de sobretensão

Enquanto os testes de resistência de isolamento (IR), índice de polarização (PI) e HiPot são usados para detectar problemas na parede de terra, o teste de surto é usado para identificar fraquezas no isolamento entre espiras. Falhas no isolamento das bobinas do motor frequentemente começam como falhas entre espiras, que eventualmente danificam o isolamento da parede de aterramento e levam a uma falha catastrófica. A principal alegação do teste de sobretensão é que ele pode detectar os estágios iniciais de um problema antes que ele se torne grave, oferecendo uma oportunidade de reparo ou substituição sem tempo de inatividade não programado.

Os problemas de isolamento entre espiras podem ser definitivamente encontrados com o teste de sobretensão. O teste de sobretensão aplica um impulso de alta tensão com tempo de subida rápido a um enrolamento, o que produz uma diferença de tensão entre os circuitos adjacentes do fio. Se o isolamento entre os dois circuitos de fios estiver danificado ou tiver sido enfraquecido de alguma forma durante a operação, e se a diferença de tensão entre os fios for alta o suficiente, um arco se formará entre os fios. 

Esse arco aparece como uma mudança de padrão na forma de onda de sobretensão. O teste de sobretensão é realizado com um gerador de impulsos com um visor que mostra continuamente a forma de onda de sobretensão.

A forma de onda de sobretensão é a tensão presente nos cabos de teste do instrumento durante o teste. A indicação de uma falha entre espiras é um deslocamento rápido para a esquerda ou uma diminuição na amplitude da forma de onda. A forma de onda observada está diretamente relacionada à indutância da bobina. Na verdade, a bobina se torna um dos dois elementos em um circuito de tanque. Esse circuito é do tipo LC, composto pela indutância da bobina (L) e pela capacitância interna do testador de sobretensão (C).

A indutância (L) de uma bobina é determinada por sua geometria (número de voltas do fio) e pelo tipo de núcleo de ferro em que ela se encontra. A frequência do padrão de onda é determinada por:

Essa fórmula implica que, quando a indutância diminui, a frequência aumenta.

Um teste de sobretensão detecta uma falha entre as espiras ao observar um salto na frequência ressonante desse circuito de tanque LC. Se a tensão produzida pela sobretensão for maior do que a resistência dielétrica enfraquecida do isolamento da espira, uma ou mais espiras podem sofrer um curto-circuito por arco voltaico. Isso diminui efetivamente o número de espiras na bobina. Menos voltas de trabalho reduzem a indutância da bobina e aumentam a frequência do padrão de toque do teste de sobretensão. A tensão ou a amplitude de um padrão de onda de surto é determinada por:

Onde:  
L = indutância da bobina 
di = Delta i (alteração instantânea na corrente) 
dt = Delta T (tempo de alteração). Portanto, assim como a redução em L (devido a uma bobina com defeito) causa uma alteração de frequência, ela também pode causar uma alteração de amplitude.  Mas isso pressupõe que di/dt seja constante, o que geralmente não é o caso em um teste de sobretensão moderno.  Normalmente, quando vemos as pequenas avarias que são úteis para a manutenção preditiva, a amplitude da sobretensão permanece a mesma, e somente a frequência muda. O testador de sobretensão tem energia suficiente para manter a mesma tensão no L ligeiramente menor causado pela pane.

Evolução do teste de sobretensão

O teste de sobretensão de bobinas de motor é uma prática do setor desde 1926, quando J.L. Rylander publicou “A High Frequency Voltage Test for Insulation of Rotating Electrical Apparatus” (Teste de tensão de alta frequência para isolamento de aparelhos elétricos rotativos) no Transactions da AIEE. Em 1926, uma indicação de falha no isolamento de uma bobina era uma queda na amplitude da tensão da bobina. Essa amplitude era determinada por um circuito retificador de tubo a vácuo que usava um aparelho do tamanho de uma grande bancada de trabalho com centelhadores rotativos para interruptores e grandes transformadores para carregar grandes capacitores de alta tensão. Com o passar do tempo, surgiu a necessidade de uma máquina compacta e portátil que produzisse uma alta tensão com correntes relativamente baixas. Naquela época, a tecnologia de sobretensão não era nova; no entanto, as máquinas usadas para testes de transformadores eram caras e complicadas. Para atender a uma necessidade crescente de testes, foi desenvolvido o testador de comparação de sobretensão. Ele comparava a forma de onda de dois ou mais enrolamentos idênticos com um enrolamento bom conhecido. Essa comparação possibilitou o estudo e a localização de falhas de isolamento.

Na década de 1950, o teste de comparação de sobretensão ainda era considerado relativamente novo. Ele foi muito útil para encontrar falhas de isolamento e abriu inúmeras possibilidades para melhorar os equipamentos de teste de isolamento, bem como os métodos de isolamento.

Mesmo nos primeiros dias do teste de sobretensão, a natureza benigna do teste foi declarada em um artigo escrito por D.J. Reynolds, R.J. Alke e L.W. Buchanan da Westinghouse: “Como a energia do surto é extremamente limitada, a corrente através do isolamento defeituoso é tão pequena que não ocorre queima grave no ponto de fragilidade”. Com a quantidade de testes e coleta de informações que a Westinghouse estava fazendo, seria de se esperar que eles não fizessem essa declaração levianamente.

Houve muitos avanços nos testes de alta tensão desde a década de 1980. Mercados amplos e desenvolvimentos tecnológicos no setor de eletrônicos ajudaram os fabricantes de equipamentos de teste de motores a fazer grandes avanços na modernização, confiabilidade e sensibilidade dos testadores. Os testadores de alta tensão atuais usam avaliação eletrônica avançada de alta velocidade de alterações na resistência, corrente de fuga, corrente de fuga versus tempo, tensão, tensão de passo, absorção dielétrica, resposta de frequência, forma de onda, tensão de início de corona (CIV) e muito mais, para detectar falhas nos níveis de energia aos quais o motor é exposto durante a operação ou abaixo deles.

Os desarmes instantâneos controlados por microprocessador permitem que as condições do enrolamento sejam avaliadas sem comprometer a integridade dielétrica. A adição de critérios de teste de aprovação/ reprovação desenvolvidos em campo torna esse tipo de teste extremamente repetível. Um dos principais avanços é a substituição dos pesados transformadores elevadores por fontes de alimentação de alta tensão de estado sólido, compactas e muito mais leves, o que leva a grandes melhorias na portabilidade do equipamento. Os equipamentos de teste que antes pesavam mais de 500 kg agora normalmente pesam menos de 25 kg.

O antigo teste de comparação de sobretensão, no qual dois enrolamentos são comparados a um enrolamento “mestre” reconhecidamente bom, foi modernizado. Agora, cada pulso de sobretensão é digitalizado e comparado ao pulso aplicado anteriormente. Esse tipo de comparação era impossível sem as formas de onda analisadas por computador. Se for detectado algum ponto fraco, o teste é interrompido instantaneamente, preservando a integridade dielétrica. Isso dá ao teste a capacidade de encontrar microfalhas sem interpretação humana e proporciona um nível mais alto de repetibilidade. Os pontos fracos são registrados e armazenados em um banco de memória ou banco de dados para referência futura e avaliação adicional.

Mesmo com esses avanços, os críticos ainda acham que o teste de surto só pode ser feito com segurança em uma oficina de reparo de motores e, mesmo assim, alguns não querem que ele seja feito. Então, por que fazer? Qual é o benefício essencial do teste de sobretensão de motores elétricos? O teste de sobretensão é a maneira mais eficiente de encontrar pontos fracos no isolamento entre espiras. Para fabricantes ou empresas que fazem o recondicionamento de motores, garantir que as bobinas sejam produzidas sem defeitos no isolamento é fundamental para a confiabilidade. Portanto, o teste de sobretensão é usado universalmente na fabricação de bobinas para motores pequenos e grandes.

Nos motores em serviço, a resistência dielétrica do isolamento da bobina diminui lentamente com o tempo, à medida que o isolamento envelhece. Alguns dos fatores que contribuem para esse envelhecimento incluem ciclos térmicos, vibração, abrasão causada pelo movimento mecânico das bobinas, ataque químico, descargas parciais, exposição a transitórios prejudiciais, radiação e operação com inversores de frequência. Para os operadores de motores elétricos, a confiança de que o isolamento de um motor é sólido é necessária para manter um processo produtivo e lucrativo. A realização adequada de um teste de sobretensão para verificar a integridade do isolamento é a maneira mais fácil e rápida de confirmar a viabilidade do motor.

A segunda parte deste artigo, que aparecerá em uma edição futura do Electrical Tester, analisará como realizar testes de sobretensão adequadamente, como os motores falham e os benefícios que as técnicas modernas de teste de sobretensão podem oferecer.