Falha de Isolamento Eléctrico

O Isolamento Eléctrico é utilizado para dirigir a corrente através de um caminho desejado e impedi-la de fluir onde ela não é desejada. O isolamento eléctrico adequado é crítico para o desempenho e longevidade de um motor eléctrico. A avaria do isolamento é uma das causas mais frequentes de falha do motor eléctrico. Em geradores eléctricos, por exemplo,
56% dos fracassos
têm origem em danos do isolamento eléctrico.

Sistemas de Isolamento

Nos motores, existem 2 sistemas de isolamento. Um sistema é o isolamento da parede do solo que separa as bobinas da moldura ou do invólucro do motor. O segundo sistema de isolamento é o sistema de isolamento do enrolamento que separa os condutores que são enrolados para criar os enrolamentos do motor. Estudos demonstraram que ≈ 80% das falhas eléctricas do estator ocorrem no isolamento do enrolamento enquanto que apenas ≈ 20% ocorrem entre as bobinas e a estrutura do motor ou directamente curto-circuito com o solo.

O que é falha de isolamento?

A falha de isolamento eléctrico ocorre quando o isolamento do motor começa a degradar-se com o tempo ou por outras razões. O envelhecimento ou o sobreaquecimento provocam alterações químicas no isolamento que fazem com que este se torne mais condutor e menos eficaz a impedir que a corrente siga caminhos indesejáveis entre os condutores ou para a estrutura do motor. Algumas falhas de isolamento, particularmente no sistema de isolamento de paredes terrestres, são instantâneas devido à ingressão de humidade, contaminação, ou outros eventos únicos invulgares. Estes eventos atacam os vazios ou outros pontos fracos do isolamento e levam a falhas prematuras. As falhas no sistema de isolamento do enrolamento materializam-se lentamente e deterioram-se com o tempo.

As causas comuns de falhas de isolamento incluem:

• Sobreaquecimento
• Contaminação por enrolamento
• Sorteio de correntes excessivas
• Má qualidade de energia
• Distorção harmónica.

Este guia irá guiá-lo através de cada fase de deterioração do isolamento eléctrico para que possa ser proactivo e acompanhar estas alterações de isolamento no seu equipamento motor.

3 Etapas de Falhas de Isolamento Eléctrico

A maioria das falhas de isolamento ocorre lenta e firmemente, avançando através de três fases distintas.

Etapa 1 – Ideal para detecção precoce

Durante a primeira fase da falha do isolamento eléctrico, o isolamento entre condutores torna-se tenso e começa a mudar quimicamente. O isolamento muda quimicamente de isolador e começa a tornar-se um condutor. A força e a capacidade de isolamento começam a diminuir. O isolamento pode começar a carbonizar, o que faz com que a corrente se torne mais resistiva, e menos capacitiva. Se o isolamento da parede de terra sofrer a alteração, isto fará com que a resistência do isolamento diminua e que o factor de dissipação aumente. Se o isolamento do enrolamento sofrer a alteração química, o ângulo de fase (Fi) e/ou a resposta de frequência actual mudarão.

A identificação de falhas nesta fase de falha de isolamento é extremamente importante para o funcionamento fiável de “classe mundial” do sistema eléctrico de uma instalação. Nesta fase, o fluxo de corrente indesejável entre condutores ainda não ocorre, embora o risco de começar a fazê-lo seja elevado. Felizmente, a detecção precoce através de
verificação de enrolamentos
e a empenhar-se em
testes de motores
é extremamente benéfico. A detecção precoce de falhas de isolamento em motores eléctricos permite a uma empresa enfrentar a deterioração enquanto esta permanece relativamente menor, poupando tempo e dinheiro e evitando falhas catastróficas.

Os instrumentos ALL-TEST Pro são os únicos instrumentos no mundo que podem realizar a detecção precoce de falhas de isolamento em motores eléctricos de forma consistente e nas fases mais precoces.

Ver abaixo o ângulo de fase explicado na detecção de falhas de isolamento.

Etapa 2 – Possível falha intermitente do motor

Durante a segunda fase de falha de isolamento eléctrico, a deterioração dos enrolamentos torna-se mais pronunciada. Abaixo estão algumas das características de falha que podem apresentar:

• A degradação do material de isolamento aumenta.
• A corrente continua a tornar-se mais resistiva.
• O calor aumenta no ponto primário de falha de isolamento.
• O motor começa a disparar intermitentemente o accionamento ou disjuntor, embora possa continuar a funcionar quando o isolamento estiver frio.

A resolução de problemas tem de ser efectuada para determinar a causa do problema. Os instrumentos ALL-TEST Pro determinam o verdadeiro estado de saúde do motor e dos seus componentes.

Ver ângulo de fase, TVS e resposta de frequência de corrente explicada na detecção de falhas de isolamento abaixo.

Etapa 3 – Falha Catastrófica

Se os sinais anteriores de falha de isolamento tiverem passado despercebidos ou não detectados, o motor irá provavelmente sofrer uma avaria total. Abaixo estão algumas das características que o enrolamento exibe frequentemente nesta fase:

• O isolamento decompõe-se completamente, criando um atalho entre o enrolamento ou um caminho directo para a corrente do enrolamento para o solo ou para a estrutura do motor.
• Desenvolve-se uma ruptura explosiva no ponto de falha.
• Ocorrem indutâncias e mudanças de resistência.
• As bobinas de cobre começam a derreter em resposta ao calor excessivo.
• O motor dispara continuamente o acionamento ou o disjuntor no arranque.
• O fluxo de corrente entre os condutores está presente.

Muitos contadores e dispositivos eléctricos devem detectar falhas nesta fase de falha do motor (ou quando há um curto-circuito total com a terra indicando um grave problema de segurança). Se os motores falharem, pode não precisar de saber o que está a acontecer ao seu motor ou conhecer o estado de saúde do seu motor.

Causas de Falhas de Isolamento

Estressores como a temperatura, poluentes, e tensões eléctricas, tais como sobretensões contínuas, podem facilmente tributar o isolamento eléctrico e causar avarias. O risco de falha de isolamento também aumenta com o tempo à medida que estes vários factores interagem entre si para causar deterioração. Por exemplo, pequenos buracos ou fissuras podem aparecer no isolamento do desgaste quotidiano. Essas fissuras enfraquecem o isolamento, e também criam vias de entrada de humidade e contaminantes químicos, degradando ainda mais o isolamento.

Abaixo estão algumas das causas mais comuns de falha de isolamento eléctrico de um motor:

• Contaminantes: O isolamento do enrolamento enfraquece devido ao contacto com contaminantes como líquido de arrefecimento de máquinas-ferramentas, óleo e outros produtos químicos. Estes contaminantes têm frequentemente um efeito corrosivo, quebrando o isolamento ao longo do tempo. Os contaminantes húmidos são geralmente condutores porque contêm impurezas, pelo que diminuem a resistência à medida que penetram no isolamento através de pequenas fissuras e poros.
• Má qualidade de energia: Os enrolamentos podem sobreaquecer devido a problemas de qualidade de energia, incluindo níveis desequilibrados de tensão e corrente. Mesmo um aumento modesto da temperatura a partir destas questões pode criar um ponto quente que leva a uma diminuição substancial da resistência de isolamento.
• Sobrecarga: Os enrolamentos podem sobreaquecer devido à elevada corrente de tracção causada por cargas excessivas. A sobrecarga pode também causar um pico de tensão que rompe o isolamento.
• Temperatura ambiente elevada: Os enrolamentos também podem sobreaquecer devido ao calor elevado no ambiente de funcionamento. Especialmente numa área com ventilação limitada, o equipamento térmico gerado pode colocar uma tensão excessiva no isolamento do enrolamento de um motor.
• Tensões transitórias: As tensões transitórias podem desenvolver-se tanto a partir de fontes internas como externas e ocorrem frequentemente durante o arranque do motor. A frequência da corrente transitória pode ser várias vezes superior à corrente típica dos enrolamentos, colocando uma tensão extrema sobre o isolamento.

Como o risco de falha de isolamento num motor é relativamente elevado ao longo do tempo, os empregados devem ter as ferramentas e formação necessárias para detectar os sinais de falha de isolamento e tratá-los rapidamente.

Detecção de falhas de isolamento com MCA

Isolamento de bobinagem

Análise do circuito do motor
(MCA™) injecta tensão CA e CC de baixa tensão para exercitar o sistema de isolamento do enrolamento, enquanto o motor é desenergizado. Quando o sistema de isolamento começa a sofrer alterações químicas, afecta a capacidade (C), e a indutância (L) do sistema de bobina. Qualquer alteração no C ou L altera o intervalo de tempo entre a tensão aplicada e a corrente resultante e a capacidade do sistema de bobina de armazenar uma carga eléctrica ou um campo magnético. Portanto, à medida que o isolamento do enrolamento começa a mudar quimicamente ou o Fi ou o I/F ou possivelmente ambos irão mudar. Se qualquer uma destas variáveis mudar, isto irá alterar a estatística do valor do teste (TVS). Uma alteração no valor estático do TVS em relação ao seu valor de base previamente armazenado como valor de referência estático (RVS) de > 3% indica o início de uma falha de isolamento ou rotor.

• Estatística do valor do teste: TVS é um número que define o estado do motor no momento em que o teste foi realizado. O TVS utiliza um algoritmo patenteado criado pela combinação dos resultados de uma série de testes de baixa tensão efectuados nas três fases de um sistema de enrolamento do motor. As variáveis-chave são tomadas a 5 frequências diferentes para excitar completamente o sistema de isolamento. Mesmo pequenas alterações na composição química do isolamento do enrolamento farão com que o actual TVS mude quando comparado com a linha de base. A ATP recomenda que se obtenha um teste Estático de Valor de Referência (RVS) num novo motor e antes de este ser instalado no sistema. Depois, ao monitorizar o TVS do motor durante a sua vida útil, uma alteração de > 3% entre os dois valores (leitura TVS nova vs. actual) indica tipicamente uma falha no rotor ou no estator.
• Ângulo de fase: É uma medida do tempo de atraso entre a tensão aplicada ao motor e a corrente resultante. É uma medida altamente sensível e é uma das primeiras variáveis a mudar quando o sistema de isolamento começa a degradar-se. A medição Fi é utilizada para identificar falhas de enrolamento de bobina a bobina em desenvolvimento, de rotação a rotação ou de fase a fase. Nenhum outro instrumento pode determinar, nesta fase, o desenvolvimento de falhas de enrolamento bobina a bobina.
• Resposta de frequência actual: O teste de resposta I/F mede a corrente através dos enrolamentos do motor a uma frequência pré-determinada. Um teste subsequente mede novamente a resposta actual com o dobro da frequência inicial. A resposta I/F mede a variação percentual da corrente causada pela duplicação da frequência da tensão de entrada. O enrolamento trifásico no mesmo estado responderá da mesma forma à mudança de frequência. Se o isolamento do enrolamento em um ou mais condutores começar a degradar-se, altera a capacidade da bobina de armazenar um campo magnético ou uma carga eléctrica. O I/F é o teste que mede a capacidade de um sistema de enrolamento de armazenar um campo magnético ou carga eléctrica e é geralmente um dos primeiros indicadores da degradação do sistema de enrolamento.
• Teste dinâmico: O teste dinâmico é utilizado para identificar falhas em desenvolvimento ou falhas existentes no estator ou rotor. Durante o teste dinâmico, o instrumento de teste mede e armazena continuamente a impedância em diferentes posições do rotor enquanto o eixo do motor é rodado manualmente de forma suave e lenta. Os resultados destes testes são analisados e apresentados como duas assinaturas eléctricas, a assinatura dinâmica do estator, e a assinatura dinâmica do rotor. O instrumento analisa então automaticamente estas assinaturas e produz um estado “bom”, “alerta” ou “mau” para indicar o estado do estator ou rotor.
• Factor de Dissipação (DF): O sistema de isolamento da parede do solo forma um condensador natural entre os condutores das bobinas do motor e a estrutura do motor. Um condensador armazena uma carga eléctrica, quando uma tensão CA é aplicada a um condensador, parte da corrente flui através do material dieléctrico e é a corrente resistiva (_Ir) e o resto da corrente é a corrente que é armazenada. A corrente armazenada é referida como corrente capacitiva (_Ic). No novo sistema de isolamento, o_Ir é < 5% do Ic_. O DF é o rácio do_{Ir /Ic}. Quando o material de isolamento envelhece, torna-se menos capacitivo e mais resistivo, o que faz com que o DF aumente.
• Capacitância para o solo (CTG): Uma vez que o sistema de isolamento da parede de terra forma uma capacitância natural com a estrutura, haverá um valor mensurável que deverá permanecer o mesmo durante toda a vida do motor. A ingressão de humidade ou outros contaminantes provoca eficazmente a mudança da constante dieléctrica. Isto geralmente faz com que o valor do CTG suba. No entanto, se o isolamento da parede de terra começar a graduar termicamente, provocará a queda do CTG.

Resumo: A combinação das medições de DF & CTG fornece uma melhor indicação do estado geral do isolamento da parede do solo do que as medições de IRG por si só. Um teste IRG padrão apenas detectará falhas no solo na parte mais fraca do isolamento do enrolamento. Os ensaios DF e CTC fornecem uma avaliação completa de todo o sistema de isolamento, utilizando métodos de ensaio de baixa tensão AC. A combinação destes dois testes com um teste IRG dar-lhe-á a condição mais exacta do sistema de isolamento do seu motor à terra.

Métodos de Teste Tradicionais

Resistência de Isolamento ao Solo (IRG)
– Este é um teste de segurança & não é utilizado para determinar o estado real de um motor eléctrico.

Os ensaios de resistência do isolamento à terra são os ensaios eléctricos mais comuns realizados no domínio elétrico. O principal objectivo destas medições é a “segurança“. Quando existe um caminho para a corrente fluir do enrolamento energizado para a caixa da máquina ou terra, é possível que uma parte exposta do motor possa ficar energizada até à tensão total aplicada ao enrolamento. Além disso, se fluxos de corrente suficientes para aterrar, criará um aquecimento localizado que poderá resultar em danos para as instalações, bem como para o pessoal. Antes de energizar um sistema eléctrico recentemente instalado, deve ser realizado um teste IRG para assegurar que o motor é “seguro” para energizar. O teste IRG aplica uma tensão DC aos cabos do motor e mede o fluxo de corrente para a terra. Uma vez que a corrente toma o caminho de menor resistência, este teste identifica os pontos mais fracos do isolamento da parede de terra, mas não fornece qualquer indicação do estado geral do isolamento da parede de terra.

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