Testes do Índice de Polarização em Motores Eléctricos Agora Superados por Métodos Modernos

Em relação aos testes de motores eléctricos, o índice de polarização (PI) é uma medida de quanto a resistência do sistema de isolamento melhora (ou degrada) ao longo do tempo.

Embora o Teste PI tenha sido considerado o teste primário ao avaliar o estado de isolamento de um motor, o seu processo tornou-se ultrapassado em comparação com métodos de teste mais recentes que fornecem uma avaliação diagnóstica mais abrangente da saúde geral de um motor.

Este artigo fornece uma compreensão prática do sistema de isolamento de um motor, uma compreensão básica dos testes de índice de polarização, e como os métodos modernos de testes de motores fornecem resultados mais abrangentes em menos tempo.

Índice de Polarização (PI)

O teste do índice de polarização (PI) é um método padrão de teste de motores eléctricos desenvolvido nos anos 1800 que tenta determinar a saúde do isolamento do enrolamento de um motor.

Embora o teste PI forneça informações sobre sistemas de isolamento de paredes de terra (GWI) tipicamente instalados antes da década de 1970, não consegue fornecer uma condição exacta do isolamento do enrolamento em motores modernos.

Os testes PI envolvem a aplicação de tensão DC (normalmente 500V – 1000V) ao enrolamento do motor para medir a eficácia do sistema GWI para armazenar uma carga eléctrica.

Uma vez que o sistema GWI forma uma capacitância natural entre os enrolamentos do motor e a estrutura do motor, a tensão DC aplicada será armazenada como uma carga eléctrica igual à de qualquer condensador.

À medida que o condensador fica totalmente carregado, a corrente diminuirá até que tudo o que resta seja a corrente de fuga final, o que determina a quantidade de resistência que o isolamento proporciona à terra.

Em sistemas de isolamento novos e limpos, a corrente de polarização diminui logaritmicamente com o tempo, à medida que os electrões são armazenados. O Índice de Polarização (PI) é a razão entre o valor da resistência de isolamento e o valor do solo (IRG) tomado a intervalos de 1 e 10 minutos.

PI = 10 Minutos IRG/1 Minuto IRG

Nos sistemas de isolamento instalados antes da década de 1970, o teste PI ocorre enquanto o material dielétrico está a ser polarizado.

Se o isolamento da parede terrestre (GWI) começar a degradar-se, sofre uma alteração química que faz com que o material dieléctrico se torne mais resistivo e menos capacitivo, baixando a constante dieléctrica e reduzindo a capacidade do sistema de isolamento para armazenar uma carga eléctrica. Isto faz com que a corrente de polarização se torne mais linear à medida que se aproxima do intervalo onde a corrente de fuga é predominante.

No entanto, no sistema de isolamento mais recente após a década de 1970, por várias razões, toda a polarização do material dieléctrico ocorre em menos de um minuto, e as leituras IRG estão acima dos 5.000 Meg-ohms. A PI calculada pode não ser significativa como uma indicação do estado da indicação da parede do solo.

Além disso, como este teste cria o campo electrostático entre os enrolamentos e a estrutura do motor, fornece muito poucas ou nenhumas indicações sobre o estado do sistema de isolamento do enrolamento. A melhor indicação destes tipos de falhas através da utilização de medições MCA do ângulo de fase e da resposta de frequência actual.

Materiais Isolantes

Nos motores eléctricos, o isolamento é o material que resiste ao livre fluxo de electrões, dirigindo a corrente através de um caminho desejado e impedindo-a de escapar para outro lado.

Em teoria, o isolamento deve bloquear todo o fluxo de corrente, mas mesmo o melhor material isolante permite a passagem de uma pequena quantidade de corrente. Este excesso de corrente é geralmente referido como corrente de fuga.

Embora seja geralmente aceite que os motores têm uma vida útil de 20 anos, a falha do sistema de isolamento é a principal razão pela qual os motores eléctricos falham prematuramente.

O sistema de isolamento começa a degradar-se quando o isolamento se torna mais condutivo devido a uma mudança na sua composição química. A composição química do isolamento muda ao longo do tempo devido ao uso gradual e/ou outros danos. A corrente de fuga é resistiva e cria calor que resulta numa degradação adicional e mais rápida do isolamento.

Nota: A maioria dos fios esmaltados são concebidos para garantir uma vida útil de 20.000 horas a temperaturas nominais (105 a 240° C).

Sistemas de Isolamento

Os motores e outros equipamentos eléctricos com bobinas têm 2 sistemas de isolamento separados e independentes.

1. Os sistemas de isolamento de paredes terrestres separam a bobina da estrutura do motor, impedindo que a tensão fornecida aos enrolamentos escape para o núcleo do estator ou qualquer parte da estrutura do motor. A avaria do sistema de isolamento das paredes do solo é chamada de avaria do solo e cria um risco de segurança.
2. Os sistemas de isolamento dos enrolamentos são camadas de esmalte que envolvem o fio condutor que fornece corrente a toda a bobina para criar o campo magnético do estator. A decomposição do sistema de isolamento do enrolamento chama-se um curto-circuito e enfraquece o campo magnético da bobina.

Figura 1: 2 sistemas de isolamento separados

Resistência de Isolamento ao Solo (IRG)

O teste eléctrico mais comum realizado em motores é o teste de resistência de isolamento ao solo (IRG) ou “spot test”.

Ao aplicar tensão contínua ao enrolamento do motor, este teste determina o ponto de resistência mínima que o isolamento da parede do solo apresenta à estrutura do motor.

Capacitância

A capacitância (C), medida em Farads, é definida como a capacidade de um sistema para armazenar uma carga eléctrica. O estabelecimento da capacidade de um motor é encontrado utilizando a equação: 1 Farad = a quantidade de carga armazenada em coulombs (Q) dividida pela tensão de alimentação.

Exemplo: Se a tensão aplicada for uma bateria de 12V e o condensador armazenar .04 coulombs de carga teria uma capacitância de .0033 Farads ou 3.33 mF. Um coulombs de carga é aproximadamente 6,24 x¹⁰¹⁸ electrões ou prótons. Um condensador de 3,33 mF armazenaria aproximadamente 2,08 X¹⁰¹⁶ electrões quando completamente carregado.

A capacitância é criada pela colocação de um material dieléctrico entre placas condutoras. Nos motores, os sistemas de isolamento de paredes terrestres formam uma capacitância natural entre os enrolamentos do motor e a estrutura do motor. Os condutores enrolados formam uma placa e a estrutura do motor forma a outra, tornando o isolamento da parede do solo no material dieléctrico.

A quantidade de capacitância depende da capacidade:

1. A área medida da superfície das placas – Capacitância é directamente proporcional à área das placas.
2. A distância entre as placas – Capacitância é inversamente proporcional à distância entre as placas.
3. A constante dieléctrica – A capacitância é directamente proporcional à constante dieléctrica.

Capacitância para o solo (CTG)

O
capacitance-to-ground
A medição (CTG) é indicativa da limpeza dos enrolamentos e cabos de um motor.

Uma vez que o isolamento da parede do solo (GWI) e os sistemas de isolamento dos enrolamentos formam uma capacidade natural de ligação à terra, cada motor terá um CTG único quando o motor for novo e limpo.

Se os enrolamentos do motor ou a GWI ficarem contaminados, ou o motor tiver ingressão de humidade, o CTG aumentará. No entanto, se ou a GWI ou o isolamento do enrolamento sofrer degradação térmica, o isolamento tornar-se-á mais resistente e menos capacitivo causando a diminuição do CTG.

Material dieléctrico

Um material dieléctrico é um fraco condutor de electricidade, mas suporta um campo electrostático. Num campo electrostático, os electrões não penetram no material dieléctrico e as moléculas positivas e negativas formam pares de dipolos (pares de moléculas com cargas opostas separadas por distância) e polarizam (o lado positivo do dipolo alinhará em direcção ao potencial negativo e a carga negativa alinhará em direcção ao potencial negativo).

Constante Dieléctrica (K)

Uma constante dieléctrica (K) é uma medida da capacidade de um material dieléctrico de armazenar uma carga eléctrica formando dipolos, relativamente a um vácuo que tem um K de 1.

A constante dieléctrica do material isolante depende da composição química das moléculas combinadas para formar o material.

O K de um material dieléctrico é afectado pela densidade do material, temperatura, teor de humidade e a frequência do campo electrostático.

Perda dieléctrica

Uma propriedade importante dos materiais dieléctricos é a capacidade de suportar um campo electrostático, ao mesmo tempo que dissipa a energia mínima sob a forma de calor, conhecida como perda dieléctrica.

Desintegração dieléctrica

Quando a tensão através de um material dieléctrico se torna demasiado alta fazendo com que o campo electrostático se torne demasiado intenso, o material dieléctrico conduzirá a electricidade e é referido como ruptura dieléctrica. Em materiais sólidos dieléctricos, esta avaria pode ser permanente.

Quando ocorre uma ruptura dieléctrica, o material dieléctrico sofre uma alteração na sua composição química e resulta numa alteração da constante dieléctrica.

Correntes Empregadas com Carregamento de um Capacitor

Há várias décadas, o teste do índice de polarização (PI) foi introduzido para avaliar a capacidade do sistema de isolamento para armazenar uma carga eléctrica. Uma vez que existem essencialmente três correntes diferentes, como descrito acima, envolvidas no carregamento de um condensador.

1. Corrente de carga – A corrente acumulada nas placas e depende da área das placas e da distância entre elas. A corrente de carga termina normalmente em < durante mais de 1 minuto. O montante da carga será o mesmo independentemente do estado do material isolante.
2. Corrente de Polarização – A corrente necessária para polarizar o material dielétrico, ou alinhar os diploes criados pela colocação do material dielétrico num campo eletrostático. Normalmente, com os sistemas de isolamento instalados nos motores (antes da década de 1970), quando o teste do índice de polarização foi desenvolvido, o valor nominal de um sistema de isolamento novo e limpo seria da ordem dos 100 megaohm (¹⁰⁶) e exigiria normalmente mais de 30 minutos e, nalguns casos, muitas horas para ser concluído. No entanto, com um sistema de isolamento mais recente (após a década de 1970), o valor nominal de um sistema de isolamento novo e limpo situa-se entre o giga-ohm e o tera-ohm (¹⁰⁹,¹⁰¹²) e, normalmente, polariza-se totalmente antes de a corrente de carga terminar completamente.
3. Corrente de Fuga – A corrente que flui através do material isolante e dissipa o calor.

Corrente de Carregamento

Um condensador não carregado tem placas que partilham um número igual de cargas positivas e negativas.

A aplicação de uma fonte DC nas placas de um condensador não carregado fará com que os electrões fluam a partir do lado negativo da bateria e se acumulem na placa ligada ao posto negativo da bateria.

Isto irá criar um excesso de electrões nesta placa.

Os electrões fluirão da placa ligada ao poste positivo da bateria e fluirão para a bateria para substituir os electrões acumulados na placa negativa. A corrente continuará a fluir até que a voltagem na placa positiva seja a mesma que a do lado positivo da bateria e a voltagem na placa negativa atingirá o potencial do lado negativo da bateria.

O número de electrões deslocados da bateria para as placas depende da área das placas e da distância entre elas.

Esta corrente é referida como a corrente de carga, que não consome energia e é armazenada no condensador. Estes electrões armazenados criam um campo electrostático entre as placas.

Corrente polarizante

A colocação de um material dieléctrico entre as placas num condensador aumenta a capacidade de um condensador em relação ao espaçamento entre as placas num vácuo.

Quando um material dieléctrico é colocado num campo electrostático, os dipolos recém-formados polarizarão, e a extremidade negativa do dipolo alinhará com a placa positiva e a extremidade positiva do dipolo alinhará com a placa negativa. Isto é referido como polarização.

Quanto maior for a constante dieléctrica de um material dieléctrico, maior é o número de electrões necessários, aumentando assim a capacitância do circuito.

Corrente de Fuga

A pequena quantidade de corrente que flui através do material dieléctrico, mantendo as suas propriedades isolantes, é referida como a resistência efectiva. Isto é diferente da resistência dieléctrica que é definida como a tensão máxima que um material pode suportar sem falhas.

À medida que um material isolante se degrada, torna-se mais resistivo e menos capacitivo, aumentando a corrente de fuga e diminuindo a constante dieléctrica. A corrente de fuga produz calor e é considerada uma perda dieléctrica.

Factor de Dissipação

É uma técnica de teste alternativa que utiliza um sinal AC para exercer o sistema de isolamento da parede do solo (GWI). Como explicado acima, utilizando um sinal DC para testar o GWI, são encontradas 3 correntes diferentes, no entanto, o instrumento é incapaz de diferenciar as correntes para além do tempo. No entanto, ao aplicar um sinal AC para testar a GWI é possível separar as correntes que são armazenadas (corrente de carga, corrente de polarização) da corrente resistiva (corrente de fuga).

Uma vez que tanto as correntes de carga como as de polarização são correntes armazenadas e são devolvidas ao ciclo oposto ½, a corrente conduz a tensão em 90°, enquanto que a corrente de fuga, que é uma corrente resistiva que dissipa o calor e a corrente é em fase com a tensão aplicada. O factor de dissipação (DF) é simplesmente a razão entre a corrente capacitiva (_CI) e a corrente resistiva (_IR).

DF =_IC /_IR

Em isolamentos novos e limpos, o_IR é normalmente < 5% do_CI, se o material isolante ficar contaminado ou se degradar termicamente, ou o_CI diminui ou o_IR aumenta. Em ambos os casos, o DF aumentará.

Resumo

Durante os anos 1800, o teste do índice de polarização era um método eficaz para determinar o estado geral de um motor. No entanto, tornou-se menos eficaz com os sistemas de isolamento modernos.

Embora o teste PI seja demorado (mais de 15 minutos) e incapaz de determinar se a falha está no isolamento do enrolamento ou da parede de terra, as tecnologias modernas, tais como Análise de circuitos de motores (^MCATM)O sistema de teste de enrolamento, que permite identificar problemas de ligação, de volta a volta, de bobina a bobina e de fase a fase, desenvolve falhas de enrolamento em fases muito precoces com testes concluídos em menos de 3 minutos.

Outras tecnologias, tais como DF, CTG & IRG, fornecem uma condição do sistema de isolamento da parede de terra em testes concluídos num tempo mínimo também.

Ao combinar novas tecnologias, como ^MCATM, DF, CTG e IRG, os métodos modernos de teste de motores eléctricos fornecem uma avaliação muito mais abrangente e completa de todo o sistema de isolamento de um motor, de forma mais rápida e fácil do que nunca.