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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Estudo do Efeito Corona em Geradores Síncronos e Métodos de

Monitoramento

Técio Cardoso Gonçalves

Itajubá, outubro de 2017

UNIFEI – ISEE Trabalho Final de Graduação

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

INSTITUTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS E ENERGIA

Técio Cardoso Gonçalves

Estudo do Efeito Corona em Geradores Síncronos e Métodos de

Monitoramento

Monografia apresentada ao Instituto de

Sistemas Elétricos e Energia, da

Universidade Federal de Itajubá, como parte

dos requisitos para obtenção do título de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Elias

Caetano

Itajubá, outubro de 2017


iii

Dedicatória

Aos meus pais, sempre tão dedicados e

amorosos, e que sem eles eu não poderia obter

o conhecimento, força e caráter que hoje

possuo.


iv

Agradecimentos

Agradeço do modo mais sincero possível a todos que de alguma maneira me ajudaram nessa

caminhada nem sempre trivial do sonho de me tornar engenheiro eletricista. Dentre amigos,

familiares e colegas, gostaria de mencionar o meu profundo carinho e gratidão.

Deus, sou grato:

Ao meu orientador e professor, Ricardo Elias Caetano, que acreditou em meu potencial e me

deu suporte desde o primeiro dia de projeto, nunca deixando de cobrar e me incentivar a extrair

o melhor que eu poderia oferecer de mim mesmo para minha formação.

Aos meus amigos de república, que nas dificuldades pessoais que enfrentei sempre me

lembraram que com ânimo, esforço e empenho os problemas podem e serão superados.

Ao meu amigo, Vinícius L. Almeida, presidente do Centro Acadêmico de Engenharia Elétrica,

que me orientou e deu suporte para a difícil tarefa de conciliar todos os meus projetos até o

último momento, incluindo este trabalho.

Por fim, e mais importante, aos meus familiares. Se hoje eu estou concluindo essa nova etapa

em minha vida é pelo insistente apoio, educação e amor da minha família. Ao meu pai, sempre

tão pleno e sensato, à minha mãe, sempre tão serena e corajosa, à minha irmã, sempre tão forte

e persistente e à minha amada namorada, pelo seu contínuo apoio, amor, paciência e carinho.

A todos vocês, o meu muito obrigado.


v

Resumo

Muitos são os estudos referentes ao comportamento funcional das chamadas máquinas

síncronas, sobretudo aos diversos tipos de falhas inerentes ao seu funcionamento pleno em

campo. Conforme será abordado neste trabalho, distúrbios térmicos, mecânicos e

eletromagnéticos estão sempre presentes durante a vida útil de uma máquina síncrona, apesar

do contínuo esforço em sanar ou amenizar tais características prejudiciais à mesma. Essa

problemática possui um vasto campo de estudo, no que diz respeito a cada tipo de distúrbio e

qual a melhor escolha de manutenção, seja ela corretiva, preventiva ou preditiva. Fatores como

custos, eficácia, facilidade de execução e complexidade têm sido continuamente indexados e,

de certa forma, para cada problema funcional de uma máquina síncrona existe hoje um

protocolo consolidado de solução do mesmo. Porém, algo muito pouco abordado em literatura

específica e trabalhos anteriores é aquele que remete aos problemas de origem eletrostática nas

bobinas estatóricas de um gerador síncrono, de modo mais preciso os efeitos das descargas

parciais e corona sobre as bobinas do estator. De início, já existe um confusão geral até mesmo

entre os profissionais da área quando questionados sobre a definição das chamadas descargas

parciais e do efeito corona (termos usados sob o mesmo contexto, erroneamente). Este trabalho

tem como objetivo central catalogar a eficácia do monitoramento de tais efeitos, inclusive o

corona, no interior de um gerador síncrono, visto que esses efeitos podem ser amenizados mas

nunca sanados. A motivação do monitoramento contínuo é justificada pelo conhecimento

antecipado dos efeitos prejudiciais que as descargas parciais proporcionam ao isolamento das

bobinas da máquina, que de modo geral acabam danificadas e posteriormente acarretam danos

irreparáveis à mesma. Existem diversos meios hoje disponíveis para monitorar esse efeito e a

maior vantagem destes é conhecer de antemão como o isolamento da máquina está se

comportando sem que para isso necessite a sua parada de operação ou manutenções corretivas.

Apesar do antigo conhecimento já consolidado sobre as definições a respeito das descargas

parciais, a sua correlação com a progressiva deterioração do isolamento e como prever uma

futura falha ainda carecem de maiores estudos. Muito se sabe à respeito deste tipo de descarga

em linhas de transmissão por exemplo, ou dos testes de descargas parciais em máquinas para

checagem de plenitude de isolamento. Porém este trabalho se dedica em abordar os meios hoje

existentes para o monitoramento e sensoriamento desses efeitos em geradores síncronos.

Palavras chave: Descargas parciais, efeito corona, monitoramento.


vi

Abstract

There are many studies about the functional behavior of the so-called synchronous

machines, including the various types of failures inherent to their operation in the field. As

discussed in this paper, thermal, mechanical and electromagnetic disturbances are always

present during the life of a synchronous machine, in spite of the continuous effort to heal or

soften those characteristics detrimental to it. This problematic theme has a wide field of

research, according to each type of disorder and the best choice of maintenance, whether

corrective, preventive or predictive. Factors such as costs, effectiveness, ease of execution and

complexity have been continuously indexed and, to a certain point of view, for each functional

problem of a synchronous machine there is now a consolidated solution protocol for the same.

However, something poorly discussed in specific literature and previous works is that which

refers to the problems of electrostatic origin in the stator coils of a synchronous generator, more

precisely the effects of partial discharges and corona on the stator coils. At first, there is already

a general confusion even among professionals in the area when asked about the definition of

so-called partial discharges and the corona effect (terms used under the same context,

erroneously). The objective of this work is to catalog the effectiveness of the monitoring of

such effects, including the corona, inside a synchronous generator, since these effects can be

softened but never healed. The motivation of continuous monitoring is justified by the

anticipated knowledge of the damaging effects that partial discharges give to the insulation of

the coils of the machine, which in general results in damages and subsequently lead to

irreparable deterioration of the same. There are several ways available today to monitoring this

effect and the biggest advantage of these is to know in advance how the insulation of the

machine is behaving without requiring its stop or corrective maintenance. Despite the long-

standing knowledge about the definitions of partial discharges, their correlation with the

progressive deterioration of isolation and how to predict future failure still require further study.

There’s a rich knowledge about this type of discharge in transmission lines for example, or of

the tests of partial discharges in machines for check of isolation fullness. However, this work

is dedicated to addressing the existing means of monitoring and sensing these effects in

synchronous generators.

Key-words: Corona effect, monitoring, partial discharges.


vii

Índice de Figuras

Figura 1-Distribuição de Potência Elétrica Nacional ............................................................... 10

Figura 2-Falhas usuais segundo IEEE e EPRI ......................................................................... 13

Figura 3- Avalanche de elétrons ............................................................................................... 19

Figura 4-Descarga superficial ................................................................................................... 21

Figura 5-Descargas internas ..................................................................................................... 21

Figura 6-Descargas externas ..................................................................................................... 22

Figura 7-Aspecto de um polo saliente ...................................................................................... 23

Figura 8-Bobina pré-formada ................................................................................................... 24

Figura 9-Barra Roebel .............................................................................................................. 24

Figura 10-Terminações elétricas em barras Roebel ................................................................. 25

Figura 11-Detalhe das ranhuras ................................................................................................ 25

Figura 12-Detalhe das bobinas e seus encaixes ........................................................................ 26

Figura 13-Isolamento separado (esq.) e conjunto (dir.)............................................................ 27

Figura 14-Camadas de isolamento ........................................................................................... 28

Figura 15-Cavidades internas e sua aproximação .................................................................... 29

Figura 16-Espaçamento lateral e sua aproximação .................................................................. 30

Figura 17-Proteção contra DP (em cinza) ................................................................................ 31

Figura 18-Tubos de análise....................................................................................................... 34

Figura 19-Medição off-line ...................................................................................................... 36

Figura 20-Ligação detalhada HFCT ......................................................................................... 38

Figura 21-Esquemático simplificado HFCT ............................................................................ 39

Figura 22-PDA Aplicado .......................................................................................................... 41

Figura 23-Sistemas dedicados para análise .............................................................................. 42

Figura 24-SSC .......................................................................................................................... 44

Figura 25-Localização da SSC ................................................................................................. 44

Figura 26-Antena Patch ............................................................................................................ 45

Figura 27-Sistema de aquisição experimental .......................................................................... 46

Figura 28-Espectro de ondas eletromagnéticas ........................................................................ 48

Figura 29-Faixa Anulada .......................................................................................................... 48

Figura 30-Diagrama de Funcionamento ................................................................................... 50

Figura 31-Aspecto Construtivo ................................................................................................ 50

Figura 32-Imagem + UV (esq.), Infravermelho (dir.) .............................................................. 51

Figura 33-Lógica de danos do efeito corona ............................................................................ 55


viii

Índice de Tabelas

Tabela 1-Distribuição por Tipo de Empreendimento ............................................................... 11

Tabela 2-Relação entre Tipo de Máquina e Aproveitamento ................................................... 11

Tabela 3-Falhas usuais em máquinas ....................................................................................... 12

Tabela 4- Tipos de manutenção ................................................................................................ 16


ix

Sumário

1 Introdução ......................................................................................................................... 10

2 Efeito Corona em Máquinas Síncronas ............................................................................ 15

2.1 Definições de Manutenção ......................................................................................... 15

2.2 Descargas Parciais e o Efeito Corona ........................................................................ 17

2.2.1 Origem do Efeito ................................................................................................ 18

2.2.2 Tipos de Descargas Parciais ............................................................................... 20

2.3 Sistemas de Isolamento em Máquinas Rotativas ....................................................... 22

2.4 Descargas Parciais nas Bobinas Estatóricas .............................................................. 28

3 Técnicas de Monitoramento e Sensoriamento .................................................................. 32

3.1 Monitoramento de Ozônio ......................................................................................... 33

3.2 Monitoramento de Pulsos Elétricos – EPS (Electrical Pulse Sensing) ...................... 36

3.2.1 Sensoriamento .................................................................................................... 38

3.2.2 Tratamento de Ruídos ......................................................................................... 40

3.3 Radiofrequência ......................................................................................................... 43

3.4 Monitoramento Óptico ............................................................................................... 46

3.4.1 Funcionamento da Câmera UV .......................................................................... 47

4 Avaliação dos Métodos .................................................................................................... 52

4.1 Efeito Corona como Fator Diferencial de Monitoramento Óptico ............................ 53

5 Conclusões e Trabalhos Futuros ....................................................................................... 57

6 Referências Bibliográficas ................................................................................................ 58


10

1 Introdução

A sociedade moderna se encontra em um patamar de desenvolvimento onde quase toda

a sua estrutura e organização cotidiana são dependentes de energia elétrica. Essa dependência

pode ser facilmente observada pelo simples imaginário de um dia singular sem a presença da

mesma, onde uma gama enorme de serviços e necessidades básicas seriam impossíveis de serem

realizados. A continuidade do serviço, juntamente com a qualidade, é algo de extrema

preocupação quando se trata do fornecimento de energia elétrica.

Basicamente a obtenção de energia elétrica pode ser feita através de variados meios,

cada qual explorando uma reserva energética que seja suficiente para suprir as necessidades de

cada região em questão. O Brasil é um país agraciado por suas riquezas naturais, sobretudo pela

sua abundante reserva hídrica, portanto é trivial imaginar que boa parte da energia que se

consome no país tenha sua origem graças ao potencial hídrico que possibilita sua exploração

em usinas hidrelétricas (independentemente de sua capacidade de geração).

A matriz energética brasileira se mostra peculiar quando comparada ao restante do

mundo. De fato uma rápida consulta do BIG (Banco de Informações de Geração),

disponibilizada periodicamente pela ANEEL em seu site revela que em abril de 2017 o cenário

energético nacional pode ser descrito através dos seguintes gráfico e tabela:

Figura 1-Distribuição de Potência Elétrica Nacional

Fonte: ANEEL (2017)


11

Tabela 1-Distribuição por Tipo de Empreendimento

Fonte: ANEEL (2017)

Conforme pode se observar, de toda a matriz de geração de energia elétrica no Brasil

quase 65% provem de usinas que utilizam de potencial hídrico para o seu funcionamento (sejam

elas PCHs, CGHs ou UHEs). A primeira conclusão a ser tirada desses números é que se de fato

mais da metade da geração se encaixa nesse perfil, então ao menos algo próximo a este número

deve se assemelhar ao tipo de máquina responsável pela conversão de energia mecânica

provinda do potencial hídrico em energia elétrica. De fato, isso pode ser exemplificado pela

seguinte tabela:

Tabela 2-Relação entre Tipo de Máquina e Aproveitamento

Fonte: Almeida (2015)


12

É de conhecimento geral que em hidrogeradores com alta inércia a velocidade de

funcionamento da máquina costuma ser reduzida (salvo em situações que utilizem de

multiplicador de velocidade acoplado anteriormente ao eixo da mesma, como em algumas

PCHs por exemplo), devido ao seu elevado número de polos. Dessa forma, por inferência

lógica, é possível afirmar que na matriz de geração de energia elétrica brasileira a máquina

síncrona de polos salientes seja fundamental visto que em UHEs (que hoje é responsável por

61,27% da energia gerada) o seu uso é indispensável.

A motivação maior deste trabalho surge do princípio de que apesar da máquina síncrona

ter um papel essencial na geração de energia, essa extrema dependência da mesma no Sistema

Interligado Nacional é algo que demanda um olhar especial no que se refere à plenitude de

funcionamento dos geradores síncronos. Existe uma situação conflitante onde a própria solução

da problemática de suprimento de energia elétrica em um país de escala continental, gera por

consequência uma extrema dependência do cenário energético perante um mesmo tipo de

equipamento.

Tendo em vista este primeiro fator motivador, posteriormente deve-se levar em conta

que dentre as causas responsáveis por falhas em máquinas rotativas um considerável percentual

é atribuído a problemas inerentes ao estator, conforme Stone (2004, p.131) estabelece na

seguinte tabela:

Tabela 3-Falhas usuais em máquinas

Fonte: Stone (2004)

Conforme pode se observar 37% das ocorrências de falhas em máquinas rotativas se

devem a problemas ocasionados no estator, perdendo apenas para as falhas em

mancais/rolamentos. Seguindo a mesma tendência, em 1987 o IEEE e EPRI realizaram testes

de confiabilidade e chegaram em conclusões semelhantes, onde em modo de operação os

enrolamentos estatóricos mais uma vez aparecem em segundo lugar em causas primárias de

falhas em máquinas rotativas de grande porte.

Acessórios 12%

Componente Percentual de Falhas

Rolamento/Mancal

Estator

Rotor

41%

37%

10%


13

Figura 2-Falhas usuais segundo IEEE e EPRI

Fonte: Duarte (2007)

A maior justificativa deste trabalho porém não se baseia somente nos pilares

anteriormente citados (a extrema dependência que existe sobre a máquina síncrona, sobretudo

de polos salientes, e o alto índice de falhas provenientes do estator). De fato o estudo de falhas

no estator de uma máquina rotativa qualquer não é algo novo, tão quanto pouco estudado, mas

naquilo que diz respeito às ocorrências de descargas parciais, efeito corona e suas

consequências existe uma dificuldade consideravelmente alta em se catalogar o seu estudo de

causas/efeitos, sobretudo o seu monitoramento.

O objetivo central deste trabalho é expor os meios que hoje são utilizados para o

constante monitoramento de tais efeitos nas bobinas estatóricas de geradores síncronos. Ainda

que o escopo do estudo seja direcionado a geradores de polos salientes, dados relativos a

isolação e comportamento do gerador perante tal efeito pode ser estendido a outros tipos de

máquinas rotativas. Conforme será abordado, o monitoramento/sensoriamento é peça

fundamental para a realização das chamadas manutenções preditivas, as quais oferecem

soluções que antecipam a ocorrência de uma possível falha, resultando em economia de custos

relativos à perdas ou parada abrupta da máquina em questão.


14

Para organizar o estudo sequencial e simplificar o seu entendimento, este trabalho foi

estruturado da seguinte maneira:

O capítulo 1 – Oferece uma breve introdução sobre o cenário energético brasileiro, expõe a

grande dependência sobre a máquina síncrona e suas causas primárias de falha, justifica o

estudo das descargas parciais, e seu monitoramento e explicita os objetivos, motivações e

organização do trabalho.

O capítulo 2 – “O Efeito Corona em Máquinas Síncronas”, apresenta todo o embasamento

teórico pertinente ao trabalho, primeiramente com enfoque teórico do próprio efeito em si, sua

diferenciação perante as demais, em seguida estendendo seu foco para máquinas rotativas. Para

isso, estudos relativos ao isolamento das mesmas também serão expostos afim de uma maior

compreensão do trabalho.

O capítulo 3 – “Técnicas de Monitoramento e Sensoriamento”, serão apresentados os mais

diversos meios empregados para o monitoramento das descargas parciais e do efeito corona

com suas respectivas metodologias.

O capítulo 4 – “Avaliação dos Métodos”, logo após descrever da forma mais detalhada possível

cada método de monitoramento, uma análise comparativa será feita com base no material

catalogado no decorrer do trabalho.

O capítulo 5 – “Conclusões e trabalhos futuros”, tendo em mãos todo a pesquisa executada,

serão feitas análises críticas inerente aos resultados teóricos obtidos, avaliando a utilidade real

do trabalho. Finalmente, sugestões serão feitas para futuros trabalhos que tenham por meta dar

continuidade ao assunto aqui tratado.

Novamente, trata-se de um assunto pouco abordado, estudado de forma pontual e

esporádica, o que justifica o caráter teórico deste trabalho o qual se propõe a oferecer um meio

de “centralizar” e avaliar todos os estudos inerentes ao projeto em si.


15

2 Efeito Corona em Máquinas Síncronas

Esse capítulo compreende todo o embasamento teórico e revisão bibliográfica referente às

relações existentes entre as máquinas síncronas e as descargas parciais, além de justificar o

estudo de monitoramento contínuo pela premissa de manutenção preditiva.

2.1 Definições de Manutenção

Conforme já fora anteriormente citado, um dos motivos pelo qual este trabalho foi

elaborado é a redução da prática denominada manutenção corretiva. Antes de mais nada, faz-

se necessário balizar o leitor com as definições relativas às formas de manutenções que são

empregadas no campo industrial em geral. Existe uma certa confusão em torno das definições

usuais, por conta disso uma breve explicação será aqui abordada de modo mais claro possível.

Há uma extensa literatura disponível para o estudo da manutenção e suas vertentes, aliás tal

assunto é explorado exaustivamente no campo de otimização de processos industriais. Porém

com o intuito de não fugir do escopo do projeto preferiu-se uma definição clássica (SOUSA,

2009) bastante utilizada e de fácil entendimento, além de ser amplamente recorrida pela sua

simplicidade.

Levando em conta tal definição existem a priori dois tipos principais de manutenção:

- Manutenção Corretiva: A operação de um equipamento qualquer é sustentada até o ponto em

que uma falha qualquer interrompa o seu funcionamento, ou ocasione perda parcial ou total de

sua função primária, justificando assim uma intervenção qualquer.

-Manutenção Preventiva: A intervenção é realizada anteriormente à ocorrência de falhas,

levando em conta diversos fatores avaliativos (que serão explicitados à seguir). Dessa forma a

necessidade de interromper ou não o funcionamento do equipamento é analisada anteriormente.

Levando em conta que existam somente dois tipos de manutenção e excluindo operações

de cunho corretivo, sobrariam apenas situações onde a análise de fatores técnicos e o

acompanhamento de diversos parâmetros seriam relevantes para a manutenção em si. De fato,

com essa premissa verdadeira pode-se dividir a manutenção preventiva de acordo com a tabela

seguinte:


16

Tabela 4- Tipos de manutenção

Fonte: Sousa (2009)

O foco do trabalho é o monitoramento do efeito corona e descargas parciais em

máquinas síncronas, e conforme já citado a manutenção preditiva se encaixa perfeitamente

nesse contexto. Em geral o objetivo maior da manutenção preditiva não é excluir todos os outros

meios de manutenção (preventiva ou corretiva) mas reduzir as suas ocorrências, minimizando

custos com perdas, paradas não esperadas do equipamento, e “situações surpresa” indesejáveis,

oferecendo a possibilidade de parada no momento mais oportuno, estudos de prevenção, etc.

Talvez hoje o maior motivo de existir um receio por parte da indústria em implementar

a manutenção preditiva seja o seu alto custo inicial, visto que para o constante monitoramento

dos parâmetros de um processo qualquer seja necessário um gasto relativamente alto com

equipamentos específicos e de uso restrito, ou de novas tecnologias ainda pouco empregadas

em escala industrial. Tais fatores podem levar a conclusão prematura que tal técnica de

manutenção seja onerosa demais para compensar sua implementação, porém, é parte do

objetivo deste trabalho demonstrar que as vantagens da manutenção preditiva justificam o seu

uso, além de avaliar alguns custos de reparo em situações onde diferentes técnicas de

manutenção poderiam ser utilizadas.

A palavra preditiva remete ao termo “predizer”, ou seja, é característico desse método

prever, predizer ou prevenir futuros acontecimentos maléficos a um equipamento qualquer por

meio de acompanhamento de seus parâmetros específicos, os quais acusam de modo direto ou

indireto o seu estado e condição de funcionamento. Conforme será discutido, variáveis como

análise visual, vibração e análise de gases são alguns exemplos de parâmetros que podem ser

utilizados para a detecção do comportamento do efeito corona, que por sua vez acusa uma

possível e futura falha no isolamento das bobinas estatóricas de geradores síncronos.

Rotina Inspeção Sistemática Preditiva Seletiva

Estatístico ou

Monitoramento.

Programável ou

Não.

Preventiva Corretiva

Manutenção

Efetuada com o

equipamento em

operação.

Acompanhamento do

estado do

equipamento usando

sentidos humanos.

Baseada na

duração do

funcionamento.

Efetuada após o

término da vida

útil.

Efetuada em

função do estado

do material.

Efetuada após

defeito e/ou falha

do equipamento ou

componente.


17

2.2 Descargas Parciais e o Efeito Corona

Outro conceito que necessita ser abordado especificamente é o de efeito corona.

Conceitualmente, esse termo vem sendo utilizado de maneira genérica quando se quer

denominar uma descarga parcial qualquer, independentemente das características do material

em estudo e do meio que circunda tal material. Essa prática apesar de comum, está errada. De

fato, o próprio IEEE define o conceito de descargas parciais sem para isso delimitar as demais

características do efeito em si (IEEE, 2000):

“Descarga parcial é uma descarga elétrica incompleta, ou parcial, que ocorre entre camadas

diferentes de isolamento, ou ainda, entre uma camada de isolamento e um condutor.”

Talvez pela simplicidade do conceito acima, ou apenas pelo costume dos profissionais

do ramo, não existe uma preocupação em separar os efeitos por suas características específicas,

o que gera a ideia que de fato são a mesma coisa. Por isso é importante que fiquem claras suas

definições de maneira sólida para evitar interpretações errôneas durante a leitura do trabalho,

que desde a sua concepção atenta para tais diferenças com intuito de abordar todos os

tipos de descargas, inclusive as do tipo corona. Existe uma vasta literatura que pôde sustentar

satisfatoriamente a teoria acerca das descargas parciais, e uma breve revisão das mesmas foi

realizada de forma a elucidar as características mais importantes presentes em cada material

consultado.

Inicialmente deve-se definir cada conceito à seguir:

- Ionização: Qualquer processo onde ocorre uma modificação da carga atômica e que obtém

íons como resultado dessa modificação. Dessa forma, esse processo é capaz de transformar um

átomo de carga neutra em um átomo eletricamente carregado positivamente ou negativamente.

- Descarga Parcial: Descarga elétrica incompleta que não chega a curto-circuitar dois

condutores completamente, mas de forma parcial. Esse processo é delimitado pela ionização

gasosa, podendo gerar formas de faíscas delgadas ou de brilho difuso (conhecidas como glows).

Ocorrem em diversos tipos de superfícies e tem sua origem quando o gradiente de tensão através

de um meio ultrapassa o limite de tensão de ruptura do meio em questão (BARTNIKAS, 2002).

- Efeito Corona: Tipo especial de descarga parcial, caracterizada pela sua visibilidade em torno

do gás que envolve o condutor. Por ser visível, é costumeiro classifica-la como uma descarga

externa visto que em diferentes tipos de superfície a descarga pode ocorrer internamente, na

superfície ou externamente a um condutor.


18

Em um boletim periódico, a renomada Hubbell Power Systems define o efeito corona

de modo simples e conciso:

“Corona é uma descarga causada por sobrecarga elétrica. De fato, o efeito corona pode ocorrer

em materiais isolantes sólidos, líquidos e gasosos, e a sua ocorrência normalmente é associada

a fases iniciais de falha no isolamento elétrico de um equipamento qualquer. Porém, enquanto

que em líquidos e gases a retirada da sobrecarga elétrica resulte em recuperação das

propriedades isolantes originais, em materiais sólidos ocorre a permanente deterioração do

mesmo”.

Portanto, conforme será visto adiante, o efeito corona é apenas um tipo de descarga

parcial caracterizado pela sua visibilidade ao se propagar em meios exteriores. De fato o escopo

deste trabalho é abordar tal efeito de maneira conceitual com a finalidade de separar os meios

de monitoramento com relação aos outros tipos de descarga parcial, que apesar de se enquadrar

na definição de descarga parcial, não deixa de ser apenas um caso específico.

2.2.1 Origem do Efeito

O surgimento do efeito corona decorre inicialmente pelo incremento excessivo do

gradiente de potencial em certa região do material, que assume um valor superior ao gradiente

crítico disruptivo do gás circundante (geralmente o ar). Conforme é de conhecimento geral

existem elétrons livres espalhados pelo ar, inclusive nas proximidades do material energizado.

Se esse material condutor (com superfície isolante ou não) é alimentado com tensão alternada,

um fenômeno interessante tem início logo após sua alimentação. Conforme o condutor é

energizado de forma alternada, em cada semiciclo os elétrons próximos à superfície vão

adquirindo uma certa aceleração resultante da interação com o campo eletrostático.

Como os elétrons tem carga negativa, durante o semiciclo positivo eles são acelerados

em direção ao material energizado e naturalmente o oposto ocorre durante o semiciclo negativo.

Essa aceleração e subsequente velocidade dos elétrons livres é proporcional ao campo aplicado

ao material energizado. Dessa forma se o campo possuir um potencial relativamente baixo, as

colisões entre os elétrons livres com o gás circundante serão elásticas (não ocorrerá

transferência de energia). Porém ao ultrapassar o gradiente crítico anteriormente citado as

colisões passam a ser inelásticas, e desse modo, o elétron acelerado passa a ter velocidade


19

suficiente para “bombardear” os átomos do gás a ponto de “empurrarem” os elétrons do mesmo

para fora de suas próprias órbitas. Esse fenômeno, já anteriormente citado, é conhecido como

ionização. O mais importante desse fenômeno é reconhecer que esse processo cresce de uma

maneira que a cada colisão o número de elétrons acelerados é duplicado, de modo que em um

curto espaço de tempo o número de elétrons cresce de maneira espantosa. A esse crescimento

robusto e rápido atribui-se o termo avalanche de elétrons.

Figura 3- Avalanche de elétrons

Fonte: NPTEL (2009)

Para cada semiciclo positivo esse crescente grupo de elétrons é acelerado em direção ao

material energizado, até atingir a sua superfície, e para cada semiciclo negativo ele é repelido

até uma região onde sua aceleração se torna muito fraca para dar continuidade ao processo de

ionização. Após esse movimento inicial da avalanche de elétrons alguns íons positivos são

deixados para trás, visto que sua massa é muito maior que dos elétrons livres (cerca de 50000

vezes superior) e atraem elétrons que estejam vagando livremente pela região. Posteriormente

o íon positivo acaba capturando tal elétron e se torna novamente uma molécula neutra do gás

circundante.

O fato é que o nível de energia dessa molécula neutra é inferior ao nível do íon

anteriormente à sua neutralização, e portanto, é de se esperar que tal molécula deve ter liberado

boa parte dessa energia no processo (que em magnitude é exatamente igual à quantidade de

energia anterior que foi despendida para tirar o elétron de sua órbita original). Essa energia se

manifesta em formas de ondas eletromagnéticas, e para o caso de moléculas de oxigênio e


20

nitrogênio (principais componentes do ar) essa radiação é visível, normalmente por uma cor

violeta extremamente suavizada (cor resultante do processo de ionização do nitrogênio,

principalmente).

2.2.2 Tipos de Descargas Parciais

Durante o estudo bibliográfico foi notável a quantidade de fontes que disponibilizavam

uma boa sustentação sobre descargas parciais, sobretudo em linhas de transmissão. Por conta

disso, estudos em condutores nus em linhas de transmissão ou de isoladores, por exemplo,

foram consultados com o intuito de diferenciar alguns conceitos que podem ser facilmente

confundidos durante a leitura deste trabalho.

Primeiramente é necessário deixar claro o efeito que o efeito corona estabelece em

materiais dielétricos ou em materiais condutores isolados externamente. Para tanto, recorre-se

à norma IEC 60270 a qual define a descarga parcial como um “curto-circuito incompleto” do

material isolante entre os condutores revestidos pelo mesmo, em sua adjacência ou não. De fato,

esse fenômeno denota um alto gradiente de potencial elétrico no isolante ou em sua superfície

e ocorre de forma pulsante com duração inferior a 1µs (B S, 2001).

Uma maneira usual de classificar as descargas parciais é pelo modo em que ela ocorre

e pela região de ocorrência. Tendo em vista que a avalanche de elétrons é sustentada em meio

gasoso, é necessário que para a sua ocorrência exista então gás circundando o material

energizado. Levando em conta essa premissa inicial, pode-se dividir a classificação das

descargas parciais em três tipos básicos (KREUGER, 1989).

-Descargas Superficiais: Pode ocorrer em diversos meios dielétricos, de modo que o gradiente

de potencial oferecido pelo material condutor seja superior ao valor crítico suportado pelo

material isolante. À partir daí começa um processo muito comum denominado trilhamento do

material isolante, que leva a sua gradual degradação.


21

Figura 4-Descarga superficial

Fonte: Kreuger, modificado (1989)

-Descargas Internas: A avalanche autossustentada somente ocorre em meio gasoso, dessa forma

se um material qualquer possuir imperfeições internas, ou rachaduras em seu interior, as

descargas irão ocorrer a partir do momento em que o processo de energização tiver início e seu

gradiente de potencial adquirir valor superior ao crítico.

Figura 5-Descargas internas


- Descargas Externas: Finalmente, esse é o tipo de descarga que é citado de forma tão

generalizada. A descarga parcial externa geralmente é conhecida como descarga corona, e

somente esse tipo específico de descarga deve receber tal denominação. Sua ocorrência se dá

pelos motivos anteriores, porém se manifesta principalmente em superfícies irregulares,

pontiagudas, ou com raio de curvatura reduzido. O fator que torna tais descargas indesejáveis

em materiais com revestimento isolante reside no processo de degradação na superfície

dielétrica do material energizado. Por exemplo, as descargas corona em meio a ar ambiente

produz ozônio, e tal gás é causador de fissuras em material baseado em polímeros. O nitrogênio


22

(principal componente do ar) também contribui pela formação de óxidos que combinados com

vapor d’água provocam trilhamento do material.

Figura 6-Descargas externas


Fica evidente que existe uma correlação entre a ocorrência de descargas parciais e o

processo contínuo de degradação de materiais isolantes em geral. Em máquinas rotativas isso

não é diferente e ocorre em todas as formas anteriormente citadas, e esse é o motivo do

termo corona ser generalizado de maneira equivocada. De fato todos resultam em descargas

parciais, porém o efeito corona, mais uma vez, se manifesta exteriormente, em meio gasoso, em

superfícies irregulares ou pontiagudas e geralmente são visíveis. Conforme este trabalho

abordará mais adiante, sempre existirá uma consequência imediata anterior ao processo de

deterioração do dielétrico, ou seja, sempre que a descarga parcial ocorre ela se manifesta por

mais de uma maneira, o que possibilita o seu monitoramento de forma direta ou indireta.

2.3 Sistemas de Isolamento em Máquinas Rotativas

As máquinas rotativas já estão no cotidiano industrial há mais de um século, e desde a

sua concepção inicial diversos incrementos foram feitos de modo a reduzir inconsistências de

projeto, aumentar sua eficiência, diminuir gastos com material, prolongar sua vida útil, etc. Esse

trabalho não abordará as diversas configurações máquinas que existem, nem o conceito de

funcionamento das mesmas pois isso seria uma fuga do escopo inicial do projeto visto que o

número de equipamentos rotativos é alto, cada qual possuindo diversas particularidades. De

fato aqui serão abordados alguns conceitos dos chamados geradores síncronos, suas formas de

construção (sobretudo do estator) e problemas inerentes ao isolamento estatórico do mesmo.


23

Conforme anteriormente comentado, em casos de geração de energia elétrica por

aproveitamento de potencial hídrico os geradores síncronos costumam ser do tipo polos

salientes. Tais geradores síncronos recebem esse nome devido ao formato de seu rotor, que

possui uma descontinuidade ao longo de sua periferia de modo que a região de entreferro varia

com grande amplitude.

Figura 7-Aspecto de um polo saliente

Fonte: WEG (2012)

Tais máquinas geralmente operam em baixa velocidade devido à alta inércia

característica e possuem um número elevado de polos, e por conta disso, é comum o uso em

aproveitamentos onde o potencial hídrico seja consideravelmente intenso a ponto de ter energia

suficiente para fazer o gerador operar em condição nominal.

Em termos de aspectos construtivos tal distinção da máquina é referente somente ao seu

rotor, portanto apesar dos estudos deste trabalho serem voltados a geradores com rotor de polos

salientes, nada impede da aplicação dos sistemas de monitoramento em máquinas de polos lisos

(salvo em situações onde a rotação seja extremamente superior, ou em casos em que

particularidades construtivas impeçam a aplicação de sensoriamento).

Para a compreensão dos sistemas de isolamento em geradores síncronos, primeiro é

necessário abordar algumas particularidades referentes à construção do estator, mais

especificamente a disposição das bobinas no mesmo. Em máquinas de porte consideravelmente

grande, que operem com tensão superior a 1000 V as bobinas estatóricas precisam ter sua seção

transversal retangular (seções circulares seriam péssimas em termos de espaço). Para tanto,

existem dois meios das bobinas serem modeladas (STONE, 2004):

- Pré-formadas: Esse tipo de bobina é formado por diversos condutores de cobre de seção

retangular e isolados entre si. O termo pré-formado é para denotar o seu formato peculiar, onde


24

cada extremidade da mesma que extrapola a acomodação nas ranhuras do estator assumem

forma característica.

Figura 8-Bobina pré-formada

Fonte: Western Coil (2015)

-Bobinas tipo Roebel: Possuem o mesmo princípio da anterior porém em máquinas onde a

potência seja muito alta existe a necessidade das bobinas serem de maior porte. Isso dificulta a

sua fixação nas ranhuras do estator, pois devido ao seu elevado porte existe um risco maior de

danificar a estrutura da bobina. Por conta disso, fabricá-las de modo que já assumam o pré-

formato anterior torna-se inviável. A solução desse problema é fabricar cada metade da bobina

através de barras denominadas Roebel, inserir cada metade nas ranhuras desejadas e conectá-

las eletricamente em suas extremidades.

Figura 9-Barra Roebel

Fonte: Genermex (2014)


25

Figura 10-Terminações elétricas em barras Roebel

Fonte: Stone (2004)

Outra característica importante do estator é a disposição de montagem das bobinas nas

ranhuras do mesmo, que podem ser do tipo camada simples ou dupla camada. Na camada

simples apenas um lado de bobina ocupa a ranhura em questão, enquanto que em camada dupla

cada ranhura abriga dois lados de bobinas diferentes.

Figura 11-Detalhe das ranhuras

Fonte: VA-Tech (2015)


26

Figura 12-Detalhe das bobinas e seus encaixes

Fonte: VA-Tech (2015)

Existem basicamente três tipos fundamentais de isolamento no estator de uma máquina

síncrona (STONE, 2004):

-Isolamento dos condutores internos de cada espira;

-Isolamento entre espiras da bobina;

-Isolamento final (groundwall);

Em máquinas de grande porte cada espira não é formada por um condutor de única seção

retangular, mas por um conjunto de fios de seção inferior que somados suprem a necessidade

do projeto. Isso resulta em uma maior facilidade mecânica para manejar a bobina final, que

“aceita” com maior flexibilidade as curvaturas necessárias para o seu uso e, além disso, o uso

de condutores de seção reduzida evita maiores perdas por correntes superficiais. Portanto, cada

condutor recebe uma fina camada de isolante para evitar seu contato direto.

Posteriormente, existe a necessidade de isolamento entre cada volta de espira que resulta

na formação da bobina final. Esse isolamento precisa ser extremamente bem-feito, pois o

aparecimento de curto entre espiras pode ser desastroso. Por exemplo, se uma bobina possuir

100 voltas “saudáveis” e apresentar um curto-circuito de uma espira posterior, essa bobina se

comportará como um autotransformador (e a espira curto-circuitada se comportaria como o

enrolamento secundário do mesmo).


27

Np∙Ip=Ns∙Is (Esp∙ A ) (1)

Respeitando a relação acima, uma corrente de magnitude 100 vezes superior circularia

pela espira em curto. De fato, isso acarretaria numa rápida falta fase-terra pelo derretimento do

cobre e posterior contato com o estator ou carcaça da máquina.

Finalmente, existe o isolamento final que separa os condutores da bobina do contato

físico com as ranhuras do estator, evitando assim faltas fase-terra (daí o termo groundwall

insulation). Com o intuito de simplificar o processo produtivo, vale salientar que existe a

possibilidade dos isolamentos entre espiras e entre condutores serem reduzidos a um único

isolamento (porém de espessura maior).

Figura 13-Isolamento separado (esq.) e conjunto (dir.)

Fonte: Stone, modificado (2004)

Outro modelo de isolamento que pode ser ilustrado é da fabricante WEG, onde um

modelo esquemático mais elaborado foi utilizado para melhor compreensão (WEG, 2015):


28

Figura 14-Camadas de isolamento

Fonte: WEG, modificado (2015)

2.4 Descargas Parciais nas Bobinas Estatóricas

O isolamento final (ou principal segundo alguns fabricantes), sugere a ideia de ser o

último isolante que cada bobina possui. De fato, para máquinas com tensão nominal de até 4

kV isso pode ser verdade (STONE, 2004). Porém à medida que esse nível de tensão é

incrementado começam a surgir efeitos referentes à descarga parcial. Naturalmente, elas

ocorrem nas três maneiras anteriormente descritas (internamente, superficialmente e

externamente/corona).

O primeiro caso, e muito comum, é ocasionado devido a “buracos” internos que podem

surgir ao longo do isolamento final, ou seja, pequenas alocações gasosas que possibilitam o

surgimento de descargas internas. Conforme se sabe, esse meio gasoso é suficiente para

autossustentar o processo de avalanche de elétrons, que por sua vez irá danificar gradualmente

o isolamento até o ponto em que ele será rompido.

Fisicamente, uma falha elétrica de um material isolante não é produto apenas do nível

de tensão que o material está exposto. De fato, ele também depende do campo elétrico aplicado.

Portanto, tomando E como campo elétrico ou estresse elétrico num capacitor de placas

paralelas:

𝐸 =𝑉

𝑑 (𝑘𝑉/𝑚𝑚) (2)


29

Conforme pode-se imaginar, o nível de tensão é fundamental para se calcular a

suportabilidade dielétrica de um isolante qualquer, assim como as dimensões físicas de uma

anormalidade do material (nesse caso, pequenos “buracos internos”). Além disso vale salientar

que tal suportabilidade também depende da pressão em que esse gás se encontra, conforme

enunciado pela lei de Paschen, e isso influencia diretamente em casos onde o sistema de

refrigeração do estator produz pressões superiores à atmosférica. Por fim existe também a

característica própria de cada material usado como isolante, que dependendo de sua composição

oferece maior ou menor suportabilidade de isolamento antes de apresentar indícios do processo

de ionização e posterior descarga parcial.

A presença de ar ou hidrogênio (geralmente utilizados como refrigerantes da máquina)

no interior das bobinas pode ser modelado através do seguinte circuito capacitivo (STONE,

2004):

Figura 15-Cavidades internas e sua aproximação


O modelo acima divide o problema em um simples divisor de tensão capacitivo,

considerando Ca a capacitância do “buraco” e Cin a capacitância do isolante. Assumindo o

buraco como um capacitor de placas paralelas, pode-se por aproximação dizer que:

𝐶𝑎 =𝜀.𝐴

𝑑𝑎 (F) (3)

Onde 𝜀 é permissividade do material isolante, em (F/m) (produto da permissividade relativa e

a permissividade do vácuo), A é a área da seção transversal do buraco, em (m²) e da a espessura

do mesmo, em (m).


30

Desse modo, a capacitância cavidade interna pode ser calculada, e além disso por

simples teoria de circuitos a tensão através do buraco pode ser obtida por:

𝑉𝑎 =𝐶𝑖𝑛.𝑉0

𝐶𝑎+𝐶𝑖𝑛 (V) (4)

Onde V0 é a tensão aplicada em (V) e Cin é a capacitância do material isolante em (F). Ao aplicar

valores típicos de alguns materiais nas equações acima, sempre é possível observar que

dependendo do nível de tensão e formato da seção reta da cavidade, o gradiente de potencial

elétrico na mesma pode ser superior aquele suportado pelo ar, e desse modo, ocorrerão

descargas parciais em seu interior. De fato, a suportabilidade do material isolante é sempre

superior àquela aplicada em situações diversas de operação da máquina, portanto o que

realmente contribui para sua degradação é a presença dos pacotes internos contendo gás, que

possibilitam o processo de ionização.

Outra possibilidade existente é a de ocorrerem descargas entre a superfície das barras

do estator e as ranhuras do mesmo, e por conta disso, para máquinas acima de 6 kV (STONE,

2004) é de costume um isolamento semicondutivo (não no sentido semicondutivo de

transistores e diodos) ser adicionado na superfície de contado direto com o estator.

Mais uma vez, um esquemático e seu correspondente circuito equivalente pode ser útil

para a compreensão do fenômeno:

Figura 16-Espaçamento lateral e sua aproximação


A problemática tem início no próprio processo de fabricação das bobinas estatóricas

pois como elas precisam ser encaixadas nas ranhuras com certa facilidade, é de se esperar que


31

sua espessura seja inferior com relação à própria ranhura (caso contrário o encaixe seria

impossível ou realizado com extrema pressão lateral). Por conta disso, espaços vazios são

inevitáveis conforme denota a figura anterior, e portanto, em certos níveis de tensão e

dependendo da espessura de tal “gap”, ocorrerão descargas parciais superficiais. A diferença

é que em máquinas refrigeradas a ar o processo agora criará ozônio, que combinado com o

nitrogênio presente no ar irá produzir ácidos (STONE, 2004) que além de nocivos à saúde

humana, acabam corroendo alguns tipos de metais, materiais de origem polimérica, etc.

Para evitar tais acontecimentos é comum então o acréscimo de um revestimento

semicondutivo (normalmente carboneto de silício), que é conectado eletricamente em vários

pontos do estator (este aterrado). Conforme o circuito anterior, esse revestimento fica com

praticamente um potencial nulo devido a sua baixíssima resistência (Rs), e por conta disso o

potencial do intervalo também é nulo, evitando o surgimento de qualquer descarga.

Esse revestimento porém deve ser feito com uma cautela especial no que diz respeito ao

seu comprimento. Geralmente os fabricantes estendem o seu uso apenas alguns centímetros

além da terminação da ranhura, ao invés de preencher toda a extensão da bobina. Isso faz

sentido por três motivos principais: primeiramente existe a questão do custo, posteriormente

existe um perigo em se isolar todo o exterior de uma bobina com um material de resistividade

baixa sendo que cada bobina fica próxima com bobinas vizinhas, e por último existe o fato que

o próprio revestimento das cabeças de bobina com esse material pode facilitar o surgimento de

cavidades internas pela dificuldade da perfeita compressão do material. Com isso, a própria

solução do problema inicial passa a oferecer riscos adicionais.

Figura 17-Proteção contra DP (em cinza)

Fonte: Fogaça (2003)


32

3 Técnicas de Monitoramento e Sensoriamento

Conforme anteriormente dito, existe uma gama considerável de estudos pertinentes às

falhas de bobinas estatóricas de máquinas síncronas. De fato, tal assunto é abordado por extensa

literatura específica, manuais de testes de descargas parciais, artigos, temas de pesquisa, etc. A

título de conhecimento, existem hoje cerca de 40 tipos diferentes de testes e meios de

monitoramentos diferentes que podem ser usados para diagnosticar o estado de uma máquina

síncrona e ou sua causa primária de falha (STONE, 2004). Tal número à primeira instância

pode parecer grande, porém ele aborda todos os tipos de testes existentes inclusive aqueles que

fogem do escopo deste trabalho, ou seja, aqueles que utilizam da máquina fora de operação

(desligada, desmontada, etc.). Somente nessa primeira diferenciação o número de testes já

decai consideravelmente, e além disso, testes e meios de monitoramento on-line, objetivo

central deste trabalho, ainda são classificados não somente pelo mecanismo de funcionamento

dos mesmos mas naturalmente também pela parte construtiva da máquina que será monitorada

(estator, mancal, rotor, etc.).

No geral, o monitoramento on-line é desejado porque (STONE, 2004):

- Nenhuma interrupção no funcionamento da máquina é necessária para determinar a condição

dos enrolamentos;

- Normalmente, o custo de aquisição de dados de diagnóstico é mais barato que os testes off-

line, dado que apenas um profissional pode coletar dados de monitoramento (o que leva cerca

de minutos, quando não se tratam de monitoramentos contínuos);

- Possibilita a manutenção preditiva;

- É o único meio de verificar irregularidades que ocorrem quando a máquina está em plena

operação.

Por outro lado, eis algumas desvantagens (IEEE Standard 1434, 2005):

- Normalmente o custo inicial de implementação costuma ser relativamente alto, uma vez que

sensores e instrumentos de monitoramento devem ser instalados em cada máquina. É um

contraste considerável com relação aos testes off-line que demandam um instrumento para um

grupo inteiro de máquinas;


33

- Nem todos os processos de falha podem ser detectados com as técnicas existentes de

monitoramento contínuo;

- A aparição de ruídos é algo sempre presente, pois as máquinas rotativas nunca operam em um

ambiente ideal do ponto de vista dos sistemas de monitoramento. Dessa forma, acompanhados

de cada sistema de aquisição de dados (diretos ou indiretos) sempre deve-se ter em mente que

medidas de atenuação de ruídos deverão ser juntamente implementadas para reduzir-se ao

máximo a influência de sinais intrusivos, já que sua eliminação total é algo utópico.

Conforme em IEEE Standard 1434 (2005):

“O estado da arte é tal que a medida obtida on-line deve prover a condição em que se encontra

o objeto em estudo, mas não deve de maneira alguma ser considerada conclusiva por si só.”

Ou seja, o monitoramento contínuo é desejável por possibilitar uma maior

previsibilidade de futuras falhas mas demanda de análise técnica, crítica e sempre que possível

vir acompanhada de outros dados complementares relativos ao funcionamento da máquina

monitorada, possibilitando uma conclusão sólida à respeito do estado do objeto de estudo.

Adiante serão apresentados alguns métodos de monitoramento mais usuais e

logicamente existem outros disponíveis para uso em máquinas síncronas, porém este trabalho

se ateve a representar aqueles mais encontrados no meio industrial (BLOKHINTSEV, 1999).

3.1 Monitoramento de Ozônio

O ozônio é um gás produzido pela ação de descargas parciais (independentemente de

seu tipo) no ar. Como já fora discutido anteriormente, tais descargas ocorrem por gaps oriundos

de má colocação das bobinas suas ranhuras, deterioração do isolamento, ou insuficiência de

espaço entre as cabeças de bobina (STONE, 2004).

Existem dois métodos disponíveis para se medir a concentração de ozônio. O método

mais barato faz uso de tubos para análise de gás, tubos estes sensíveis especificamente ao

ozônio. Quando o tubo é aberto para uso, o agente químico presente em seu interior muda de

cor de acordo com a concentração de ozônio no ambiente de análise. Tal método apesar de

simples e barato, não é muito interessante pois apesar de ser classificado como monitoramento


34

(por não demandar parada da máquina ou o seu desmonte total ou parcial) deve ser realizado

de maneira discreta, ou seja, em intervalos de tempos regulares, normalmente de 6 meses

(STONE, 2004). Além disso para o caso de máquinas que tenham sua exaustão feita de maneira

completamente selada, seu uso fica comprometido uma vez que o operador de testes necessita

ter acesso à saída de exaustão da máquina. Outra desvantagem é o risco em sua realização, pois

nenhum indivíduo deve ser exposto a um ambiente com concentrações de ozônio superiores à

1 parte por milhão (STONE, 2004).

Figura 18-Tubos de análise

Fonte: Draeger (2017)

A segunda técnica, mais apropriada, utiliza um dispositivo eletrônico capaz de detectar

continuamente a concentração de ozônio. Um sensor é colocado no interior da máquina ou em

sua saída exaustiva. Como o dispositivo eletrônico pode ser usado remotamente, não importa

se a máquina é do tipo ventilação aberta ou fechada.

O ozônio produzido pelas bobinas estatóricas é afetado por alguns fatores, entre eles

(STONE, 2004):

-Tensão de operação da máquina;

-Umidade do ar;

-Fator de potência, uma vez que as descargas das bobinas em suas ranhuras são diretamente

afetadas pela razão potência reativa/ativa.


35

Dessa forma, para uma medição de valores consistentes é necessário que os parâmetros

acima estejam os mais constantes possíveis.

O monitoramento consiste em mensurar a concentração de ozônio através do tempo.

Dessa forma fica fácil visualizar qualquer aumento abrupto ou persistente da concentração do

gás na máquina síncrona. Basicamente a concentração é incrementada se:

- O número de pontos com descargas parciais é também incrementado;

- A superfície contendo uma descarga parcial é expandida com o tempo.

Primeiramente, deve-se ter em mente que não existe um limite inferior para estabelecer

um nível de concentração de ozônio que garanta que uma máquina esteja livre de descargas

parciais. Isso ocorre por diversos fatores, dentre eles:

-A máquina pode ter ventilação aberta ou selada, logicamente tornando os valores muito mais

concentrados na segunda opção;

-O operador deve se certificar que agentes externos não estejam contribuindo para a medição,

como descargas atmosféricas, aparelhos de fax, copiadoras, uma vez que o ambiente mensurado

é impregnado pelo gás, independentemente de seu elemento gerador;

- Como anteriormente dito o ozônio é “consumido” pelos elementos isolantes da máquina,

proporcionando sua gradual degradação. E a taxa de consumo varia para cada tipo de material

isolante.

Fica evidente que o ponto central dessa técnica de avaliação de descargas parciais não

é a existência de ozônio no ambiente ou a concentração do gás em questão, mas sim a taxa em

que sua concentração se comporta através do tempo. Como existe uma variação grande de sua

concentração em regime permanente, dependente de fatores construtivos e do ambiente, a única

lógica plausível é verificar variações bruscas ou persistentes da concentração deste gás.

Apesar de simples e intuitivo esse método é pouco palpável uma vez que ele apenas

acusa a presença ou não do aumento das descargas parciais (superficial ou corona), mas não

possibilita mensurar a quantidade, localização ou extensão de superfícies com componentes

problemáticos como isolamento degradado, espaçamento comprometido entre bobinas ou

bobinas e ranhuras estatóricas.


36

3.2 Monitoramento de Pulsos Elétricos – EPS (Electrical Pulse Sensing)

Para a compreensão desse método, inicialmente deve-se ter em mente o funcionamento

do teste de descargas parciais que é executado de maneira off-line. Basicamente nesse tipo de

teste são feitas medições diretas das correntes pulsantes provenientes de uma descarga parcial

que ocorre em uma bobina alimentada com sua tensão de fase padrão.

Sabe-se de antemão que uma descarga parcial gera um fluxo de elétrons com rapidez

extrema, uma vez que os mesmos locomovem-se próximos à velocidade da luz, e percorrem

uma distância muito pequena. Assim sendo, os pulsos gerados são de duração muito pequena

(da ordem de nanossegundos) e uma vez que cada elétron carrega consigo uma carga elementar,

cada descarga produz uma corrente pulsante.

Cada pulso de descarga parcial é originária de uma parte específica do enrolamento

estatórico e cada corrente gerada viajará através dos condutores da bobina, os quais possuem

uma impedância característica, que naturalmente resulta na aparição de sinais de tensão

pulsante. Tais sinais vão percorrer a bobina, e uma boa parte deles chegarão aos terminais da

mesma. Como os sinais são pulsantes, uma transformada de Fourier é explicitada na ordem de

centenas de mega-hertz e dessa forma qualquer dispositivo sensível à altas frequências pode

detectar pulsos de descargas parciais.

Conforme figura adiante, o jeito mais usual de detectar tais pulsos é através do uso de

capacitores de alta tensão conectados aos terminais do estator.

Figura 19-Medição off-line



37

Tendo em vista a seguinte relação:

𝑋𝑐 =1

2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑓 ∗ 𝐶

(5)

Onde Xc é a reatância capacitiva, em (Ω), pode-se inferir que para a tensão alimentação das

bobinas estatóricas no teste de descarga parcial o capacitor se comporta como uma grande

impedância, ao passo que para os pulsos de descarga parcial o mesmo se comporta como uma

impedância de baixíssima magnitude (devido às frequências de magnitude extrema). Ou seja, a

disposição anteriormente mostrada se comporta simplesmente como um filtro de sinais, estes

podendo ser analisados em um osciloscópio, por exemplo. Nesse método, em contraste com o

detector de ozônio, cada pulso é criado por uma descarga parcial diferente, ou seja, além da

magnitude de tais pulsos pode se ter conhecimento da quantidade de descargas suficientemente

preocupantes que ocorrem na máquina testada.

Apresentada a lógica primária de detecção de sinais, pode-se agora estudar a abordagem

de monitoramento contínuo. Em geral, todos os métodos de medição direta dos pulsos gerados

possuem os seguintes elementos básicos (STONE, 2004):

-Sensores, capacitores de alta tensão conectados aos terminais da máquina, e ou TCs conectados

ao neutro da máquina. Tais sensores são extremamente sensíveis aos sinais provindos das

descargas parciais, e conforme visto, indiferentes aos sinais provindos da alimentação da

máquina;

-Dispositivos eletrônicos que convertem os sinais captados em formato analógico em sinais

digitais. O método mais comum atualmente consiste no uso de Analisadores de Amplitude e

Fase. Em sistemas mais antigos, era comum se limitar aos Analisadores de Espectro ou

Osciloscópios;

- Técnicas de processamento de sinais são utilizadas com intuito de reduzir toda informação

coletada em dados que possam ser utilizados de maneira confiável e que na melhor das

hipóteses possam discriminar indiretamente o tipo de falha que poderá ocorrer nas bobinas

estatóricas.

(Ω)


38

Existe uma gama de equipamentos diferentes no mercado que se propõe a realizar a

tarefa de medir os pulsos de uma descarga parcial, porém todas elas se limitam a otimizar uma

ou mais das características anteriormente citadas.

3.2.1 Sensoriamento

O primeiro sensor utilizado em larga escala para esse tipo de monitoramento foi o

Transformador de Corrente para Altas Frequências, ou HFCT (High-Frequency Current

Transformer). Constituído por um núcleo de ferrite circundado por um número entre 10 à 100

espiras, tal sensor possui uma faixa de detecção que varia de 100 kHz até 30 MHz (STONE,

2004).

Inicialmente tal transformador era usado conforme o esquemático a seguir, onde o

mesmo era inserido ao redor de um condutor conectando o ponto neutro da máquina com o

ponto de aterramento do sistema. Cada descarga parcial gerada produz um pulso que percorre

o mesmo condutor em análise que por sua vez é sentido pelo HFCT. A desvantagem principal

desse tipo de medida reside no fato do HFCT não poder ser utilizado nos terminais de

alimentação das bobinas estatóricas (exceto para pequenas máquinas) uma vez que seu núcleo

não possui abertura suficientemente grande para comportar um condutor de tal proporção, além

do mesmo tender a saturar facilmente.

Figura 20-Ligação detalhada HFCT

Fonte: NCBI, modificado (2017)


39

Sua modelagem para obtenção do sinal de tensão de saída obedece de forma direta a Lei

de Faraday, sendo M a indutância mútua entre o condutor e o secundário:

(6)

(7)

Figura 21-Esquemático simplificado HFCT


Atualmente os sensores mais populares usados nesse tipo de monitoramento são

capacitores de alta tensão instalados em cada terminal de bobina estatórica, bastante similar ao

teste de descarga parcial off-line. Os valores de capacitância adotados variam de 80 pF (mais

utilizados), 375 pF até 1000 pF (STONE, 2004). Em geral cada capacitor é conectado em série

com uma carga ôhmica de 50 ohms, formando dessa forma um filtro passa-alta de largura de

banda definida pelo conjunto capacitor-resistor. Sendo fm a frequência medida:

𝑓𝑚 =1

2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑅 ∗ 𝐶

(8)

Assumindo que não existam ruídos existentes no sistema de medição, e que os

capacitores estejam localizados o mais próximo possível dos terminais da máquina, pode-se

(V)

(V)

(Hz)


40

afirmar que cada capacitor é capaz de detectar uma descarga parcial distinta (STONE, 2004).

Um fato interessante é que quanto menor o valor de capacitância utilizado, maior a espessura

do dielétrico empregado para um mesmo volume de sensor, reduzindo assim o risco de falha de

um capacitor (justificando assim o valor popular de 80 pF).

Um ponto de extrema atenção de tal método reside no fato que diferentemente do HFCT

o capacitor é conectado aos terminais de alta tensão da máquina, e a falha do mesmo ocasiona

uma falta fase-terra. Portanto, a confiabilidade do componente é algo crucial.

3.2.2 Tratamento de Ruídos

A maior dificuldade dos métodos citados é lidar com as interferências elétricas (ruídos)

que quase sempre estarão presentes. Dentre as fontes dos mesmos, pode-se citar:

- Efeito corona proveniente das linhas de transmissão;

-Conexão elétrica “pobre” entre componentes de monitoramento, gerando faiscamento;

-Faiscamento por efeito de comutação de máquinas vizinhas;

-Transitórios presentes na rede.

Monitores mais antigos de descargas parciais utilizavam de osciloscópios ou

analisadores de espectro para representação de descargas parciais. Tradicionalmente, um

operador experiente consegue discernir com facilidade sinais provenientes de ruídos daqueles

que de fato provém de descargas parciais. Porém, essa é uma análise subjetiva que apesar de

ainda muito presente no meio industrial não costuma ser efetiva quando se deseja um

monitoramento contínuo que não leve a falsas indicações de problemas na máquina. Além disso

o monitoramento não se empenha somente a expor uma iminente falha, mas fornecer ao usuário

dados mais substanciais possíveis, que ajudem o mesmo a tomar decisões baseadas naquilo que

fora medido.

Felizmente, existem dois métodos utilizados em larga escala para separar ruídos dos

sinais coletados.

O primeiro consiste no uso do chamado PDA (Partial Discharge Analyzer), que consiste

em um sistema de monitoramento desenvolvido em meados dos anos 70. Tal aparelho foi o

primeiro a possibilitar operadores que não fossem totalmente familiarizados com os conceitos


41

técnicos e matemáticos de descargas parciais a ler e interpretar os resultados obtidos nesse

monitoramento.

Para exemplificação de aplicação pode-se citar um PDA aplicado a um hidrogerador

(caso mais comum e pertinente a este trabalho). Ao menos dois capacitores de 80 pF são

conectados por fase, através de um circuito de comunicação em anel que é ligado diretamente

aos terminais de da máquina. Seu funcionamento consiste na análise do tempo em que um sinal

qualquer chega aos terminais do PDA, conforme figura abaixo.

Figura 22-PDA Aplicado


Conforme pode-se notar, considerando um pulso oriundo da rede de alimentação, este

deverá percorrer todo o circuito em anel, ser sensível a ambos os capacitores, e finalmente

chegar a praticamente no mesmo tempo em ambos os terminais do PDA. Caso seja este o caso,

o sistema interpreta digitalmente que tal sinal é um ruído e o anula (visto que o próprio sinal

espelhado matematicamente já cancela o outro).

Porém, caso ocorra um pulso no ponto “A” denotado na figura anterior, boa parte do

sinal será sensível imediatamente ao capacitor da esquerda, enquanto uma reduzida parte deste

mesmo sinal ainda terá de percorrer um caminho considerável para sensibilizar o outro

capacitor. Desta forma os sinais chegam com tempos diferentes, e o sistema digitalmente

considera tal sinal como um pulso provindo de descargas parciais. Visto que a diferença entre


42

a chegada de um pulso e outro é da ordem de nanossegundos e a aparição de descargas parciais

é da ordem de microssegundos, o caso do sistema se confundir ou deixar de analisar um pulso

qualquer é impossível em termos práticos (STONE, 2004).

Outro método para separação de sinais consiste em instalar permanentemente os

sensores às máquinas (sendo necessária sua parada), e fazer uso de sistemas portáteis de

aquisição de dados para análise técnica. Caso o sistema seja feito de maneira mais simples

através de osciloscópios digitais ou analisadores de espectro, o sistema normalmente opera de

maneira contínua e ininterrupta. Para máquinas que operem acima de 6 kV, a experiência de

aplicação mostra que o teste se mostra eficaz em intervalos regulares de 6 meses, podendo

prever processos de deterioração de isolamento com antecedência de 2 anos (STONE, 2004),

já para valores menores de tensão o sistema contínuo ainda se mostra mais atrativo em termos

de custo-benefício.

Figura 23-Sistemas dedicados para análise


Em sistemas modernos de aquisição de sinais, a interpretação dos mesmos não é

aconselhada a todos os tipos de usuários mas sim por equipe técnica dedicada e treinada, com

base nos padrões de interpretação de sinais disponibilizadas pelo IEEE Standard 1434.

Algo que chama atenção reside ao fato que sistemas de monitoramento on-line recém

instalados em bobinas relativamente novas tendem a produzir alta atividade de descargas

parciais. Isso acontece por dois motivos:

-A resina com base epoxy ou poliéster tende a ter uma cura desigual em sua extensão. Dessa

forma, máquinas recém fabricadas apresentam um isolamento com constantes dielétricas não-


43

uniformes, gerando pontos de estresse elétrico maior em alguns pontos do revestimento.

Naturalmente a cura completa do material sana tal problema;

-Algumas máquinas, conforme anteriormente dito, possuem revestimento semicondutivo para

supressão de descargas parciais. Tal revestimento de baixa resistência pode às vezes não estar

totalmente em contato com as ranhuras (por impregnação de verniz ou oxidação natural),

resultando em faiscamento discreto em seus primeiros meses de operação. Novamente, o

próprio funcionamento da máquina impõe medidas, neste caso vibrações que acabam

“quebrando” tais imperfeições, que resultam no solução da problemática.

Por isso, é importante que tais mecanismos de análise de dados e monitoramento sejam

instalados após a máquina completar no mínimo seis meses de operação (STONE, 2004).

3.3 Radiofrequência

As descargas parciais (independentemente de sua origem) são propagadoras de ondas

eletromagnéticas proporcionais ao seu comportamento, ou seja, as ondas refletem fielmente o

sua dinâmica comportamental (pulsante e de altíssima frequência). Dessa forma, uma maneira

alternativa à anterior (mas que pode ser considerada um tipo especial de EPS) consiste em

mensurar tais ondas viajantes e direcioná-las para um sistema de aquisição de dados remoto

para análise da dados.

Existem algumas maneiras variadas de aplicação deste processo que incluem a escolha

de antenas utilizadas, sua localização no interior da máquina, o mecanismo de análise de dados,

etc.

A antena mais popular (STONE, 2004) é denominada Stator Slot Coupler – SSC (em

tradução livre (Acopladora de Ranhuras do Estator). Seu aspecto, presente na seguinte figura,

consiste em uma antena direcional com formato de tira, extremamente fina, que normalmente

é instalada no intervalo entre barras em cada ranhura ou diretamente abaixo de cada cunha de

fixação das barras do estator.


44

Figura 24-SSC

Fonte: Iris Power (2017)

Tal antena capta diretamente a onda eletromagnética que viaja através das ranhuras e

como a mesma possui dois terminais de saídas direcionais distintas, é possível distinguir de

maneira direta sinais de descargas parciais provenientes das ranhuras, daquelas provenientes

das cabeças de bobinas. Sua faixa de operação varia de 10 MHz até 1000 MHz (STONE 2004).

Figura 25-Localização da SSC



45

Uma variante interessante desse tipo de antena pode ser denominada como uma antena

tipo patch (HIROTAKA, 2008), que consiste em uma antena impressa de placa de circuito

impresso, podendo ser introduzida no interior da máquina sem maiores problemas.

Figura 26-Antena Patch

Fonte: Hirotaka, (2008)

Uma vantagem deste método (independentemente do tipo de antena) consiste na faixa

de frequência em que as antenas captam as ondas eletromagnéticas, fazendo de maneira natural

um filtro para ruídos existentes com a máquina em operação. Porém, como consequência a

sensibilidade de cada sensor é reduzida provocando às vezes a ausência de sinais no sistema de

aquisição de dados simplesmente pelo elemento sensor “não enxergar” tal sinal.

A aquisição de dados varia muito entre um projeto e outro, e da mesma forma que o

método de medição de sinais convencional, pode ser feita com diversos analisadores diferentes

entre si, desde sistemas dedicados que incluem tratamento de sinal (o que requer novamente

usuários treinados para obter melhor interpretação possível dos resultados coletados) até meios

simplificados como por exemplo o uso de um simples osciloscópio, ou até mesmo tecnologias

próprias e experimentais de aquisição via PC, conforme o protótipo à seguir (HIROTAKA,

2008).


46

Figura 27-Sistema de aquisição experimental

Fonte: Hirotaka, (2008)

Segundo os autores, o circuito de simples elaboração consiste em um filtro passa-faixa

(BPF), um amplificador logarítmico, função peak and hold, e um conversor analógico para

digital. Apesar de experimental, mostrou uma excelente correlação com o método tradicional

de análise de pulsos elétricos por capacitores ou HFCTs.

3.4 Monitoramento Óptico

O último método aqui abordado faz jus ao escopo inicial deste trabalho, onde houve a

preocupação e insistência em discernir de maneira clara a diferenciação de cada tipo de descarga

parcial e sua maneira de manifestação. Onde se lê “efeito corona”, deve-se ter em mente que

está ocorrendo uma descarga parcial que possibilita uma certa visibilidade da mesma, devido

ao seu meio de propagação (entre um condutor isolado ou nu e o fluido circundante do mesmo).

Ou seja, de maneira prática é necessária que tal descarga parcial possa “ser vista” de alguma

maneira.


47

Em máquinas (rotativas ou não) operando em alta tensão, existe um teste chamado

black-out que consiste simplesmente observar em um cômodo sem qualquer tipo de iluminação

o comportamento das mesmas sob alimentação constante.

Naturalmente, tal teste só pode ser realizado de maneira off-line visto que fica

impossível ter uma visão direta do interior uma vez que a máquina não possui abertura para tal

procedimento. Além disso existe o fator de risco em tal procedimento, pois cada fase é

energizada em cerca de 115% de sua tensão nominal (MEREDITH, 2014). Tal teste apesar de

parecer trivial, acaba se tornando complicado pelos seguintes fatores:

- O cômodo para ensaio deve estar desprovido de qualquer fonte luminosa, por menor que seja;

-Os operadores que realizarão o teste deverão permanecer durante um tempo sob baixa ou

luminosidade nula, com intuito de otimizar a sensibilidade dos olhos;

-Logo após, ainda no escuro, os mesmo deverão se posicionar em frente à máquina para

inspeção (já energizada);

-Após a visualização os operadores deverão memorizar o ponto aproximado de cada emissão

luminosa para verificar quais os elementos da máquina apresentam defeitos, imediatamente

realizando os reparos necessários;

-Tal ciclo é repetido até o ponto em que não mais sejam vistos pontos luminosos.

Conforme pode-se observar este tipo de procedimento torna-se maçante, perigoso e

altamente impreciso. Por conta disso, uma alternativa que há pouco tempo passou a ser utilizada

em testes off-line consiste no uso de câmeras ultravioletas para a análise da condição das

bobinas estatóricas de máquinas rotativas. Com o uso desse equipamento torna-se dispensável

realizar tal teste sob ausência de luz, o que aumenta e muito a exatidão na localização de defeitos

construtivos ou isolamento da máquina.

3.4.1 Funcionamento da Câmera UV

Conforme já fora descrito anteriormente em sua dinâmica de aparição, o efeito corona

ocorre em frequências altíssimas e de maneira pulsante. Por conta disso, levando em conta o

espectro de radiação eletromagnética, suas emissões se encaixam na faixa ultravioleta variando

de 200 nm até 405 nm (KREUGER 1989).


48

Figura 28-Espectro de ondas eletromagnéticas

Fonte: UV-Tools, modificado (2015)

Conforme a figura anterior, a faixa que compreende a radiação ultravioleta vai desde

100 nm até 400 nm de comprimento de onda, ou seja, praticamente a totalidade de ondas

eletromagnéticas geradas no processo de descarga corona pode ser visualizada com câmeras

UV. Porém a primeira característica que deve ser levada em conta é sua operação em locais de

iluminação natural, o que na maioria das vezes ocorre total ou parcialmente quando se deseja

realizar medidas sob a luz do dia. Como é de conhecimento geral a luz solar possui um amplo

espectro que vai além da luz visível, incluindo a faixa ultravioleta. Boa parte da radiação UV é

filtrada pela camada de ozônio mas uma parcela ainda é presente na radiação solar que chega a

superfície terrestre. Por isso, com intuito de não prejudicar a fidelidade das medidas, quando

realizadas sob a luz do dia, a faixa compreendida entre 240 nm até 280 nm costuma ser anulada

pela da percepção óptica da câmera.

Figura 29-Faixa Anulada

Fonte: Sonel Test, (2017)


49

Basicamente o funcionamento de uma câmera de detecção corona é parecido com o de

uma câmera comum, a diferença reside em seus elementos sensores ópticos que operam com

sensibilidades diferentes no intuito de captar um tipo específico de informação. De moro geral,

quase todo modelo disponível no mercado possui a seguinte lógica:

- Existem 3 elementos sensores que operam simultaneamente ou não na câmera. Um canal de

sensibilidade infravermelha, um canal de sensibilidade óptica ultravioleta, e um canal de

sensibilidade óptica para luz visível;

- O elemento infravermelho é responsável por captar a radiação térmica e convertê-la em uma

imagem passível de interpretação através de sistema de aquisição de dados;

- O elemento ultravioleta é responsável pela captação visual da descarga corona em si, uma vez

que seu elemento sensor é adequado para o comprimento de onda UV, e o mesmo é excitado

pela energia liberada ao captar os fótons resultantes das descargas corona. Sendo h a Constante

de Planck, c a velocidade da luz no vácuo, e λ o comprimento de onda, a energia liberada por

cada fóton que bombardeia o elemento sensor é dada por:

𝐸 =ℎ∙𝑐

λ (J/fóton)

Independentemente da polaridade que a descarga ocorre, fótons são a maneira pela

qual a energia é irradiada. Tais partículas são liberadas pelos átomos ionizados através da

avalanche de elétrons, no momento em que os átomos voltam ao seu estado de energia inicial.

(9)

-O elemento visual naturalmente provê a sensibilidade da luz visível com intuito de formar

imagens concretas do objeto ou ambiente monitorado, sua tecnologia é a mesma de câmeras

digitais.

Tais elementos são unidos da seguinte maneira:

-Os canais visual e UV são sobrepostos pois para a formação de imagens que representem o

efeito corona, é necessária a imagem de fundo para dar sentido à imagem da descarga;

-O canal Infravermelho por si só não necessita de sobreposição para formação de imagens,

apesar dessa opção também ser possível.


50

Figura 30-Diagrama de Funcionamento

Fonte: Stolper, (2005)

Em meios construtivos simplificados, o equivalente do diagrama anterior seria:

Figura 31-Aspecto Construtivo


Conforme visto, a captação de imagem é feita pela mesma lente em ambos os casos

(UV/visível), com um espelho responsável por levar ao elemento sensor UV uma cópia

invertida da imagem captada, para posterior processamento. O único elemento que opera

isoladamente é o infravermelho.


51

Em termos de imagem, eis um exemplo típico:

Figura 32-Imagem + UV (esq.), Infravermelho (dir.)


Os pontos luminosos de cor branca em alto contraste representam descargas parciais

corona, e a imagem em escala de cinza representa o aspecto térmico. Interessante reparar a

correspondência entre o ponto de maior foco de descargas corona, e o ponto de maior

aquecimento.


52

4 Avaliação dos Métodos

Após toda a descrição técnica aqui catalogada, é chegada a hora de avaliar cada método

abordado. O que ficou muito claro durante a pesquisa, é que independentemente do elemento

sensor utilizado a tendência hoje é aprimorar a aquisição e processamento de dados, através de

tecnologias dedicadas que possam fazer comunicação global com as demais informações de

medição de uma máquina qualquer. No início da elaboração desse projeto, havia a falsa

impressão de que haveria um equipamento sensor capaz de avaliar da maneira mais fiel possível

o comportamento das bobinas estatóricas de um gerador síncrono, perante a ação de descargas

parciais. Acontece que existem dezenas, senão centenas de variáveis que tornam cada caso de

medição consideravelmente diferente do outro. Como exemplo, pode-se relembrar que:

-Tensão de operação da máquina;

-Tipo de máquina (Turbogeradores x Hidrogeradores);

-Material isolante utilizado;

-Ambiente de localização da máquina e seus componentes vizinhos (ruídos);

-Idade e tempo de operação;

-Comportamento da rede.

Estes são só um dos elementos que deixam cada caso específico com relação ao outro,

de modo que não é possível dizer qual a melhor maneira de realizar um sensoriamento contínuo

de descargas parciais. O método por ozônio, por exemplo tem uma excelente característica de

custo e simplicidade de operação, porém peca pela sua baixa exatidão e pela ausência de dizer

ao operador a quantidade e localização (mesmo que aproximada) da descarga parcial, aliás, nem

o tipo de descarga pode ser discernido, fazendo com que este método raramente seja usado de

forma desacompanhada de outros (BLOKHINTSEV, 1999).

O método de sensoriamento de pulsos elétricos por sua vez, foi o mais completo ao que

diz respeito de modalidades de obtenção de sinal, de maior facilidade de pesquisa em literatura,

e de certa forma o mais conhecido entre os profissionais do meio. Tal fato é justificado pela

semelhança dos testes de descarga parcial realizados de maneira off-line, onde poucos

elementos são modificados no sensoriamento contínuo, mudando muitas das vezes apenas o


53

sistema de aquisição de dados e interpretação de sinais. Sua maior vantagem consiste na

possibilidade de mensurar a amplitude do sinal de descargas, seu formato e seu comportamento

através do tempo, dando ao operador ou profissionais habilitados um bom perfil

comportamental das descargas parciais. Sua maior limitação reside na sensibilidade de ruídos,

que demanda medidas prévias de atenuação, risco de uso de capacitores ligados diretamente em

alta tensão, e limitações construtivas dos transformadores de corrente utilizados. Porém, como

seu uso já é de longa data, maiores tecnologias de obtenção de sinais e processamento de dados

vêm sendo continuamente aplicados, sob o preço de apenas possibilitar usuários treinados para

o monitoramento em tempo real.

O método por radiofrequência também já é usado há um tempo considerável, porém o

que chamou a atenção foi a facilidade de implementação de sistemas experimentais e liberdade

de fixação das antenas. Conforme Hirotaka (2008), a antena pode detectar descargas parciais

quando localizadas no estator, entre barras, e até mesmo no mancal de um motor. A nível

acadêmico, talvez seja o método que esteja sob pouco estudo uma vez que normalmente o tipo

de antena seja normalmente um só (SSC) e sua localização seja bem definida na indústria (entre

barras ou sob cunhas), merecendo em pesquisas futuras maiores variações em seus parâmetros.

Além disso, seu custo benefício mostra-se relativamente atrativo em casos de implementação

de tecnologia própria para monitoramento contínuo.

4.1 Efeito Corona como Fator Diferencial de Monitoramento Óptico

Inicialmente pode parecer desinteressante o estudo do efeito corona em geradores

síncronos, uma vez que em tese ele é o tipo de descarga parcial com a pequena diferença de

ocorrer de maneira externa. Nenhum método, exceto o óptico, se preocupa em diferenciar a

forma de descarga parcial recorrente nas bobinas estatóricas, mas sim em mensurar a sua

persistência, intensidade e comportamento temporal. Além disso, a literatura afirma que tal tipo

de descarga é a que menos causa danos ao funcionamento pleno da máquina (MEREDITH,

2014). Do mais danoso para o menos danoso, têm-se:


54

-Descargas internas, especialmente aquelas adjacentes aos condutores;

-Descargas internas entre uma camada de isolamento e outra;

-Descargas superficiais entre a superfície isolante e as ranhuras do estator;

-Descargas externas (corona) nas cabeças de bobina, entre bobinas e entre o revestimento

semicondutivo e as ranhuras do estator.

Se tal problemática é de fato a menos danosa, então porque estudá-la ou buscar

mensurar tal irregularidade mais a fundo?

De certa forma, tais dados apesar de verdadeiros podem ser interpretados de uma

maneira em que sua importância comece a fazer mais sentido pelos seguintes fatores que serão

descritos.

De acordo com o procedimento padrão de inspeção visual corona off-line (MEREDITH,

2014), o protocolo consiste em:

1) Verificar o espaçamento entre as cabeças de bobinas;

2) Verificar a integridade elétrica entre o isolamento semicondutivo e as ranhuras do

estator;

3) Verificar a integridade de conexões elétricas de dispositivos resistivos de temperatura

(RTD);

4) Verificar superfícies para averiguação da existência de contaminação ou danos durante

o processo de montagem (como por exemplo objetos intrusivos, má colocação das

bobinas em suas ranhuras, excesso de material isolante formando “pontes” entre uma

fase e outra, e riscos mecânicos no isolamento).

Além disso não deve se esquecer que a segunda causa mais danosa, a qual inicialmente

entende-se como interna entre isolamentos, pode acontecer na parte externa das bobinas com

relação ao estator (suas cabeças). Caso as degradações do material isolante progridam até o

isolamento final, se tornarão um efeito corona por algum tempo (por estarem fisicamente

externas agora), gradualmente evoluindo a tal ponto de deterioração onde não existirá um

isolamento externo qualquer (que pode levar a resultados catastróficos).

Por inferência lógica pode-se afirmar que o efeito corona é muito mais específico que as

outras descargas ao denotar as causas de sua aparição, ou seja, os elementos que podem estar


55

danificados juntamente com o motivo pelo qual o dano existe, e indiretamente afirmar a

localização de tais distúrbios, conforme simplifica o esquemático a seguir:

Figura 33-Lógica de danos do efeito corona

Fonte: Autor, (2017)

O efeito corona ainda tem sua aplicação restrita para casos de monitoramento off-line,

em testes visuais apenas, através de câmeras que já são comercializadas com sistemas de

processamento de sinal embutido. Não existe, ao menos na literatura consultada, aplicação de

monitoramento óptico realizado de maneira on-line e isso pode ser justificado pela

impossibilidade técnica de alojar uma câmera o interior de uma máquina síncrona. Porém ao

analisar mais de perto tal impossibilidade têm-se alguns fatores que devem ser levados em

conta:

-Da mesma forma que para antenas SSC, o fator limitante espaço é fundamental para sua

implementação. Tratando especificamente de máquinas de polos salientes (escopo deste

trabalho), não é impossível a escolha de um local que acomode de maneira segura (ainda que

girante) de uma câmera UV e uma câmera comum, devido às suas dimensões mais avantajadas

que um turbogerador por exemplo;

-Conforme fora citado, os meios de medição UV normalmente são módulos all-in-one, ou seja,

em um mesmo aparelho existe a captação, aquisição de dados, processamento e representação


56

gráfica. Dessa forma, tais aparelhos não costumam ser de medidas pequenas (ainda que

considerados portáteis);

-Hoje existem diversos módulos de filmagem UV e natural com pequenas proporções métricas,

com algumas unidades de centímetro apenas que podem ser conectadas à módulos de

microconroladores (como Arduino), e sua transmissão pode ser feita de maneira simples com

dispositivos bluetooth;

-Finalmente vale lembrar que como a captação de imagens seria para uma distância

consideravelmente pequena, seria dispensável o uso das potentes lentes de aumento que são

utilizadas em tais equipamentos, normalmente desejadas para inspeção de linhas de transmissão

à grandes distâncias.

De certa forma tal possibilidade é puramente hipotética e intuitiva, e esbarra em diversos

entraves mecânicos (referentes ao quesito construtivo da máquina), e de processamento (uma

vez que a imagem gerada estaria sob efeito de rotação nominal da máquina, dificultando sua

interpretação ou estabilização). Porém vale lembrar que trata-se de uma caso particular das

medições de descargas parciais, a qual não existe literatura que aborde tal assunto, fato que

chamou mais atenção durante a elaboração deste trabalho e justificou a abordagem repetitiva

desse tipo de descarga em si.


57

5 Conclusões e Trabalhos Futuros

Esta pesquisa se propôs a abordar um assunto que passa muitas vezes despercebido pelos

alunos na graduação de engenharia elétrica, normalmente ouvindo falar de tais fenômenos

apenas nas disciplinas de eletromagnetismo talvez. Apesar de completamente teórico, o projeto

cumpriu seu papel ao catalogar de maneira prática e simples o funcionamento de alguns meios

de monitoramento de descargas parciais e efeito corona, justificando o uso de cada um destes,

sua lógica de sensoriamento, e a importância que cada tipo específico de medição tem perante

uma anomalia sempre comum em máquina elétricas. Conforme fora alertado até mesmo pelos

professores participantes da elaboração deste projeto, a pesquisa sobre descargas parciais torna-

se um caminho “espinhoso”, pois a divulgação de novas tecnologias empregadas continua

sendo mantida em sigilo ou possui pouca divulgação.

Porém, o fator considerado mais interessante e desafiador reside na aplicação de testes

visuais corona, os quais são realizados de maneira off-line apenas. Se cada tipo de

sensoriamento tem a sua qualidade, aquela que consegue visualizar o efeito corona traz consigo

a vantagem de saber exatamente onde se encontra um distúrbio e sua intensidade (de maneira

indireta). Apesar de ocorrer em uma parcela pequena das bobinas estatóricas, tal tipo de

descarga parcial diz muito mais ao usuário do que acusar a simples presença de um descarga.

Dados como imperfeições mecânicas, má conexão entre cabos internos, mal acoplamento

elétrico entre revestimentos, má concepção de fabricação ou armazenamento, são fatores de

conhecimento prévio quando depara-se com descargas corona. Além disso existe o fator de

risco de uma imperfeição interna estar se “externalizando” com o tempo, o que pode gerar faltas

graves na máquina.

O autor crê que uma aposta em maiores pesquisas nesse tipo específico de medição poderá

trazer um meio novo de medição contínua de descargas parciais, ainda que por enquanto não

exista material algum dando suporte a tal ideia hipotética. Portanto, como sugestão de trabalhos

futuros, que sejam aprimoradas às pesquisas acadêmicas utilizando de tecnologia aberta e de

baixo custo com intuito de colocar tal possibilidade em prática, a fim de comprovar sua

possibilidade ou impossibilidade de aplicação.


58

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