Teste de sobretensão em motores elétricos – colocando um ponto final na discussão (parte 2)

Mike Teska - Gerente de engenharia

Nesta segunda e última parte de nosso artigo, que busca resolver de uma vez por todas o debate sobre se o teste de sobretensão para motores é benéfico ou prejudicial, analisamos como os testes de sobretensão devem ser realizados, as maneiras pelas quais os motores falham e os benefícios que as técnicas modernas de teste de sobretensão podem oferecer. A primeira parte do artigo, que discutiu os princípios e a história dos testes de sobretensão, ainda está disponível online no site da Megger.

Um teste de sobretensão foi realizado corretamente 

Para se beneficiar dos resultados do teste de sobretensão, vários aspectos devem ser compreendidos. Primeiro, a tensão operacional deve ser conhecida para o motor em teste. Segundo, a pessoa que realiza o teste precisa entender o procedimento do teste de sobretensão e a tensão apropriada a ser aplicada ao motor. Várias organizações industriais escreveram padrões referentes à aplicação do teste de sobretensão. A Tabela 1 abaixo lista as tensões de teste recomendadas para vários tipos de motores e abrange máquinas novas e em serviço.

Ao determinar uma tensão de teste adequada, é preciso entender que há uma tensão mínima que deve ser aplicada em uma lacuna antes que haja qualquer possibilidade de formação de um arco em um dielétrico gasoso. Isso é chamado de Mínimo de Paschen. A Figura 1, chamada de Curva de Paschen, mostra a tensão de ruptura versus o espaçamento do ar em temperatura e pressão padrão para um campo uniforme. A tensão mínima é de aproximadamente 350 volts. Isso significa que são necessários 350 volts para excitar um arco em uma falha. Abaixo dessa tensão mínima, não será possível obter resultados confiáveis.  

Figura 1

Como um motor falha 

O estator do motor possui dois sistemas principais de isolamento: o isolamento da parede de terra e o isolamento entre as espiras. Quando o isolamento está em boas condições, ele pode suportar os picos de tensão normais que ocorrem durante a partida e a parada do motor. Com o tempo, esse isolamento se deteriora devido ao movimento mecânico das bobinas, transientes de torque, calor, contaminação e outras influências ambientais. 

Em 1987, Gupta, Lloyd, Stone, Campbell, Sharma e Nilsson publicaram um artigo na IEEE Transactions on Energy Conversion sobre um estudo de três anos de motores em usinas de energia. A conclusão deles foi que os motores apresentam aproximadamente 3 p.u. (por unidade) de picos de tensão durante a operação normal na partida. Alguns motores podem chegar a 4,6 p.u. A fórmula para calcular a tensão por unidade é:

A Figura 2 mostra os efeitos que a partida e a parada causam nos motores elétricos, exibindo a relação entre a resistência dielétrica e as operações diárias de um motor elétrico. Quando o motor é novo, os picos de tensão na partida não afetam seriamente a resistência dielétrica do isolamento. Com o tempo, à medida que o isolamento enfraquece, os picos de tensão começam a causar problemas no isolamento entre espiras do motor. Quando a resistência dielétrica é reduzida ao nível da tensão de operação, os picos de tensão fazem com que a deterioração do isolamento acelere exponencialmente. 

Figura 2

À medida que o isolamento se deteriora, os picos de tensão contribuem para o desenvolvimento de falhas de arco voltaico. Se um motor estiver operando com o isolamento severamente enfraquecido, a falha do isolamento entre as espiras resulta rapidamente em uma falha catastrófica do motor e parada não planejada do processo que o motor está acionando. O conhecimento da viabilidade do isolamento entre espiras de um motor é, portanto, crucial. Com a manutenção periódica e os testes de sobretensão, problemas de isolamento enfraquecido podem ser identificados e monitorados, na maioria dos casos com tempo suficiente para tomar medidas preventivas. Isso permite que a equipe de manutenção da fábrica aja antes que o motor falhe. 

Escrita para a IEEE em “Modelo transitório para máquinas de indução com falhas no isolamento das espiras do estator”, os autores Rangarajan Tallam, Thomas Habetler e Ronald Harley afirmam que “uma falha de espira no enrolamento do estator de uma máquina de indução causa um grande fluxo de corrente circulante nas espiras em curto, da ordem de duas vezes a corrente bloqueada do rotor. Se não forem detectadas, as falhas nas espiras podem se propagar, levando a falhas fase-terra ou fase-fase. O fluxo de corrente para a terra resulta em danos irreversíveis ao núcleo e a máquina pode precisar ser retirada de operação. A detecção de falhas iniciais nas espiras é essencial para evitar condições operacionais perigosas e reduzir o tempo de inatividade.” 

Benefícios dos testes modernos de sobretensão 

Desde 1961, a Baker Instrument Company fabrica equipamentos de teste de alta tensão. O conceito básico do teste de sobretensão foi aprimorado para beneficiar ainda mais o usuário. O teste de comparação de sobretensão que foi desenvolvido pouco antes de 1950 ainda é um teste viável hoje em dia; no entanto, houve avanços na análise e detecção de formas de onda que mudaram a maneira como esse teste é usado. 

Se os problemas analisados são curtos-circuitos, circuitos abertos, cobre de diâmetro diferente entre fases, contagem desequilibrada de espiras entre fases, bobinas invertidas ou laminações em curto, o teste de comparação é bastante eficaz. A Baker Instrument Company desenvolveu a Relação de área de erro de linha-linha (L-L EAR) para detectar automaticamente esses problemas. Essa é uma comparação de cada fase, 1-2, 2-3 e 3-1, com as tensões de teste recomendadas. A área sob a curva é calculada matematicamente e comparada com os outros enrolamentos para verificar se alguma das fases está fora da tolerância. Caso esteja, o testador automaticamente interrompe o teste e notifica o usuário de que um problema foi detectado. 

Mais avançado do que o teste L-L EAR é o teste de relação de área de erro de pulso-pulso. Com o P-P EAR, a Baker Instrument Company refinou a análise da forma de onda a um nível em que o instrumento de teste se tornou preciso e sofisticado o suficiente para reconhecer falhas. O P-P EAR calcula o arco comparando as curvas de cada pulso sucessivo à medida que a tensão é aumentada até os níveis de teste recomendados pela IEEE. Se a frequência da forma de onda variar além da tolerância permitida, o equipamento interromperá automaticamente o teste.

Figura 3

Para ilustrar a eficácia do P-P EAR, um resumo do teste de sobretensão de um motor em uma fábrica de celulose e papel é mostrado na Figura 3. Este motor falhou na segunda fase a 4.760 volts. A tensão-alvo do teste foi definida em 5.600 volts. Uma análise mais detalhada da caixa de diálogo do PP-EAR% mostra claramente um salto na forma de onda, muito acima do limite pré-definido de 10%. Nesse ponto, o testador interrompeu automaticamente o teste e notificou o usuário do equipamento de que um problema havia sido identificado. 

Nesse caso, além do teste de surtos, foi realizada uma bateria completa de testes em corrente contínua (CC), incluindo resistência, resistência de isolamento, índice de polarização e HiPot. De todos os testes realizados, apenas o teste de sobretensão revelou possíveis fragilidades no isolamento (Figura 4). Isso ocorre principalmente porque os outros testes se concentram estritamente no isolamento da parede de aterramento e não no isolamento entre espiras. Estudos indicam que mais de 80% de todas as falhas em motores elétricos começam com um isolamento entre espiras enfraquecido

Figura 4

Após a falha no teste de sobretensão, esse motor foi imediatamente colocado de volta em serviço e executado durante os quatro meses restantes até a próxima parada programada. Isso economizou mais de US$ 40.000 em tempo de inatividade não programado para a empresa. Esse estudo de caso confirma que o teste de sobretensão não é destrutivo para motores. Conforme declarado por engenheiros da Westinghouse em 1951: “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”. 

Para reforçar essa afirmação, em 2001, a Baker Instrument Company realizou um estudo de 90 dias em um motor de 5 HP, 460 Vca, 1.200 rpm, fabricado na China. Esse motor foi escolhido por ser o mais barato disponível. Durante os 90 dias, o motor foi submetido a aproximadamente 40 milhões de impulsos de surto. Os primeiros 20 milhões de pulsos foram aplicados em níveis de tensão progressivamente crescentes, e 17 milhões desses pulsos tiveram amplitudes de 50% a 350% maiores do que os 2.000 volts recomendados pela Baker Instrument Company. 

Após cada enrolamento de fase ser submetido a aproximadamente um milhão de impulsos na tensão prescrita, a tensão foi aumentada em 1.000 volts. Em outras palavras, o objetivo era aplicar três milhões de pulsos em cada nível de tensão – 2.000, 3.000, 4.000, 5.000 volts, etc. Ao atingir o limite dielétrico do isolamento desse motor (que foi de 7.000 volts), verificou-se que o limite dielétrico do isolamento remanescente era de 1.750 volts. O motor foi então submetido a mais 20 milhões de impulsos a 1.750 volts. Todos esses pulsos foram aplicados à fase um, pois foi onde a fragilidade se desenvolveu (Figura 5). Ao final dessa sequência, o limite dielétrico da fase um permaneceu em 1.750 volts – não houve mais deterioração do isolamento. É importante observar que, novamente, a tensão de teste prescrita para o motor era de 2.000 volts e, embora o isolamento estivesse funcionando em um nível inferior ao aceitável, o motor ainda funcionaria normalmente por um período indefinido. 

Figura 5

Nesse ponto, decidiu-se testar até que ponto um motor elétrico pode suportar abuso antes de falhar. O motor foi conectado a 460 Vca e submetido a ciclos rápidos até que ocorresse uma falha observável. Nesse caso, o motor foi ligado e desligado rapidamente 42 vezes antes de sofrer uma falha entre espiras sob essas condições extremas de operação. A falha foi evidenciada por um desequilíbrio acentuado nas correntes de fase e uma diferença audível no som do motor em funcionamento. Após a falha entre espiras, ou curto-circuito grave, levou menos de um minuto para que a fumaça fosse observada saindo da caixa de conexões. 

Esse estudo demonstra que mesmo um motor de baixo custo pode suportar uso severo e tensões extremamente altas (350% da tensão de teste recomendada). Após o desenvolvimento da fraqueza, o teste de sobretensão não causou mais deterioração no motor, mesmo após 20 milhões de pulsos adicionais. Foi necessário um ciclo extremamente abusivo e não característico de partidas e paradas rápidas para precipitar a falha. Isso demonstra novamente que o teste de surtos adequado não é destrutivo. Isso ocorre devido às características de alta tensão e baixa corrente do teste. Nesse motor, durante os testes entre 1.700 e 1.800 volts, a corrente de pico observada foi de 1,8 A. A corrente esteve presente por 1-2 microssegundos, 5 vezes por segundo, com 200 milissegundos entre os pulsos, o que equivale a um ciclo de trabalho do instrumento de aproximadamente 0,001%. A potência gerada é extremamente baixa. Em termos simples, é como jogar uma bola de tênis contra uma parede de tijolos. Ela simplesmente não tem energia suficiente para queimar o isolamento. 

Resumo 

Os campos de manutenção preditiva e confiabilidade do motor têm debatido a validade do teste de sobretensão por muitos anos. No entanto, os benefícios desse teste podem ser comprovados por seus próprios méritos. É a maneira mais eficiente de encontrar fraquezas entre os motores antes de uma falha, dando aos profissionais de manutenção a oportunidade de planejar o reparo ou a substituição, o que economiza dinheiro. Foi comprovado por vários estudos e pelo uso contínuo que o teste de sobretensão não queima nem danifica o isolamento após a detecção de uma falha. 

Desde seu desenvolvimento, a instrumentação e o próprio teste mudaram drasticamente. Em 1926, quando J.L. Rylander introduziu o teste, o equipamento era grande e pesado. Agora, a instrumentação é portátil e controlada por computador, tornando o uso mais fácil, altamente preciso e capaz de gerar resultados rapidamente e automaticamente.