ESTUDOS E TÉCNICAS DE ENSAIOS PARA A AVALIAÇÃO DO
ISOLAMENTO EM MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO
TRIFÁSICOS DE BAIXA TENSÃO
Jonattas Henrique Alves Fragoso - jonattas17@hotmail.com
Gestão em engenharia da sistemas elétricos
Instituto de Pós-Graduação - IPOG
Recife, PE, 21/04/2025
Resumo
A contextualização temática deste trabalho objetivou mostrar a importância da
manutenção preventiva e preditiva na detecção de falhas no isolamento de motores
elétricos de baixa tensão, com base nos eixos teóricos dos comportamentos das
correntes elétrica na aplicação de uma fonte continua, as análises realizadas através
das leituras dos índices de absorção relativa e polarização nos tipos de isolantes
feito nos enrolamentos estáticos das maquinas elétricas, as características das
medições com medição da corrente de descarga e como os efeitos da umidade e
temperatura afeta na degradação da isolação da máquina referente a sua massa
(carcaça). O objetivo desta pesquisa foi mostrar as técnicas off-line para avaliação
do isolamento dos MIT´s de BT, com fatores e mecanismos que colaboram para os
estresses do material de isolação do ME, os dados para analises realizadas através
dos ensaios baseia-se na norma IEEE Standard 43 de 2013 com fundamentação
teórica que fornece a base de sustentação desta pesquisa. Com base para análise
de cada motor elétrico de diferentes potencias, esse trabalho foi realizado na
empresa Arlanxeo Performance Elastomers que fica localizada no cabo de santo
agostinho, onde cerca de 70% do seu processo da fabricação é acionado por
motores elétricos de baixa tensão.
Palavras-chave: Motores elétricos, Isolamento, Ensaio off-line, Analise.
1. Introdução
A utilização de acionamentos elétricos com o motor de indução vem crescendo de
forma acentuada na indústria de processo, sobretudo pelo aumento da
confiabilidade e da flexibilidade na operação destes equipamentos. A robustez da
sua construção e os baixos requisitos de manutenção conferem ao Motor de Indução
Trifásico (MIT), atualmente, seu uso nos processos mais críticos de uma planta,
substituindo os acionamentos antes realizados por turbinas a vapor (P. Pieters and
J. Rikomem,2010). Apesar do seu alto tempo médio entre falhas (MTBF - Mean
Time Between Failures), fatores associados ao acoplamento à carga, ambientais,
operacionais e da qualidade de energia, podem levar à sua indisponibilidade
prematura (P. Pieters and J. Rikomem,2010). Essa, por sua vez, acarreta inúmeros
prejuízos que podem variar da parada imediata e não programada de uma unidade
operacional, levando ao lucro cessante da ordem de dezenas a centenas de milhões
de reais por dia, ou à sua manutenção corretiva como a troca de rolamentos e
mancais, núcleo magnético e ré enrolamento, que muitas vezes, levam dias ou
meses de intervenção (A.S.Guedes,2011).
Visando detectar de forma preditiva as falhas prematuras nos MITs, alguns estudos
e técnicas vêm sendo desenvolvidos de modo que a parada para a manutenção
destas máquinas seja feita de forma programada, minimizando os impactos como as
perdas de produção ou a sua manutenção corretiva. Neste contexto, as falhas
elétricas do isolamento, responsáveis por cerca de 30% das falhas em MITs,
tornam-se um importante problema a ser investigado do ponto de vista preditivo.
Assim, o acompanhamento desse tipo de defeito evitará falhas no isolamento que
podem acarretar na indisponibilidade total da máquina (R. K. Mobley, Maintenance
Engineering Handbook, 8th Edition, McGraw-Hill, 2014).
Na existência de uma grande variedade de Motores de indução trifásico de várias
marcas e como em média eles são responsáveis por 70% dos acionamentos de um
processo industrial, se faz necessário obter uma sistemática de manutenção
preventiva e preditiva afim diminuir a zero a perca de produção como a parada
desses equipamentos indevidamente, seja, por quebra ou mau funcionamento,
visando assim a importância dos ensaios na detecção de possíveis falhas futuras e
acompanhamento do indicie envelhecimento das bobinas mediante ao regime de
trabalho das rotativas e suas respectivas alternâncias quando o sistema tem
redundância. Com base nos ensaios de resistência de isolamento podemos obter
dados e realizar comparativos com os dados fornecidos pelo fabricante fazendo
assim um levantamento alimentando um banco de dados para acompanhamento
dos índices do motor.
Muitas pessoas que lidam com a manutenção têm a opinião que equipamentos
elétricos são diferentes das outras máquinas e operarão em quaisquer condições. O
oposto é verdadeiro. Equipamentos elétricos podem ser deteriorados mais
rapidamente devido às condições operacionais que qualquer outro equipamento.
Água, poeira, calor, frio, umidade, atmosfera corrosiva, resíduos químicos, vibrações
e inúmeras outras condições podem afetar a confiabilidade operacional e a vida útil
de equipamentos elétricos. Estas condições desfavoráveis, combinadas com
negligência e descuido na manutenção do equipamento resultam em falha
prematura desnecessária e, em muitos casos, na sua completa destruição. Custos
de reparos podem ser evitados implantando- se as recomendações de manutenção
fornecidas pelo fabricante (PCO, CST. Técnicas de inspeção e procedimentos de
testes, 2005).
Essas técnicas de ensaios offline em MIT´s baseiam-se em otimizar perdas de ativo,
visando determinar valores de resistência ôhmica com aplicação de tensão e
corrente estacionarias, eliminando as reatâncias do circuito equivalente do MIT´s e
analisando a resistência do circuito equivalente, os valores se alteram com a
umidade e com a sujeira alterações da capacitância do isolamento, da resistência
total, das perdas superficiais e da temperatura do material constituindo-se em uma
boa indicação da deterioração dos equipamentos elétricos provocada por estas
2. Desenvolvimento
2.1 Resistência de Isolamento
A Resistência de Isolamento de um enrolamento de máquina rotativo é função do
tipo e condição dos materiais isolantes utilizados, bem como as técnicas utilizadas
para aplicá-los. Em geral, a resistência de isolamento varia proporcionalmente à
espessura do isolamento e inversamente proporcionalmente à área de superfície do
condutor. Por definição, a resistência de isolamento é o quociente da tensão
corrente continua aplicada através do isolamento dividido pela corrente resultante
total num dado momento. A corrente resultante total (IT) é a soma de quatro
correntes: Fugas superficiais (IL), Capacitância geométrica (IC), Condutância ou de
condução (IG) e Absorção (IA). Um circuito equivalente para as várias correntes em
um teste de resistência de isolamento é mostrado na Figura 2.1.
Figura 1- Circuito equivalente mostrando as quatros correntes monitorada durante a
medição de Resistência de Isolamento.
A corrente de capacitância geométrica (IC) normalmente não afeta as medidas
porque desaparece pelo tempo em que a primeira leitura é feita em 1 minuto. A
corrente de absorção (IA) ou a corrente de polarização decai a uma taxa
decrescente. A corrente de absorção tem dois componentes. O primeiro componente
é devido à polarização dos materiais impregnantes porque as moléculas orgânicas,
tais como epóxi, poliéster e asfalto, tendem a mudar a orientação na presença de
um campo elétrico. Uma vez que estas moléculas têm a força contra a atração de
outras moléculas, normalmente demora vários minutos após a aplicação do campo
elétrico para as moléculas serem reorientadas e, portanto, para que a energia de
polarização fornecida pela corrente seja reduzida a quase zero. Um segundo
componente da corrente de absorção é devido à orientação gradual de elétrons e
íons pela maioria dos materiais orgânicos.
Esses elétrons e íons orientam-se até tornarem preso na superfície dos sistemas de
isolamento de máquina rotativa. Normalmente, para isolamento da máquina rotativa
limpa e seca, a resistência de isolamento está entorno de 30 s e alguns minutos é
primariamente determinada pela corrente de absorção. A corrente de condução (IG)
em sistemas de isolamento de poliéster e epóxi-mica bem consolidados é
essencialmente zero, a menos que o isolamento tenha ficado saturado com
umidade. Sistemas de isolamento mais antigos, como a mica-asfálto ou shellac
mica-folium podem ter uma corrente de condução natural e maior devido à
condutividade das fitas que ancora a mica. A corrente de fuga superficial (IL) é
constante ao longo do tempo. Uma corrente de fuga superficial elevada, isto é,
resistência de isolamento baixo, normalmente é causada pela umidade ou algum
outro tipo de contaminação parcialmente condutora. A figura 2.2 mostra
graficamente os comportamentos das correntes no tempo dos ensaios na utilização
do Megger.
Figura 2- Decomposição da corrente It durante o ensaio para a medição de Ri.
2.1.1 Característica da Medição em tensão e Corrente Contínua
Comparando a alteração na resistência de isolamento ou a corrente total com a
duração da aplicação da tensão de teste pode ser usual na avaliação da limpeza e
se está seco o enrolamento. Se os enrolamentos estiverem contaminados ou
úmidos, a corrente total (IT) será aproximadamente constante com o tempo, IL e/ou
IG ser muito maior que a corrente de absorção (IA). Se os enrolamentos estiverem
limpos e secos, a corrente total (IT) normalmente diminuirá com o tempo como
mostrado na figura 2.2 acima, uma vez que a corrente total é dominada pela
corrente de absorção (i.e., polarização) IA.
Na aplicação do ensaio offline de corrente continua se pegarmos na tenção Vp e
substituir por uma tensão continua Vcc, todos os indutores viram um curto circuito
em corrente continua, então o circuito simplifica para R1 desse modo tem-se que R1
= I1/ Vcc, conforme mostra a Figura 2.4
Figura 3 - Circuito equivalente em uma fase de um MIT.
Figura 4 - Circuito equivalente a uma tensão aplicada Vcc.
2.2 Leituras de Resistência de Isolamento
A medição da resistência de isolamento é obtida pelo ensaio de tensão corrente
contínua e deve ser limitada a um valor adequado à tensão nominal do enrolamento
e à condição básica de isolamento. Isto é particularmente importante no caso de
máquinas pequenas, de baixa tensão ou enrolamentos úmidos. Se a tensão de teste
for muito alta a tensão de teste pode sobrestressar o isolamento, levando a falha. Os
ensaios de resistência de isolamento são geralmente conduzidos a tensões
contínuas constantes de 500-10.000 V com polaridade negativa. A polaridade
negativa é preferida para acomodar o fenómeno da electroendosmose. Diretrizes
para tensões de teste são apresentados na Tabela 2. As leituras de resistência de
isolamento são tomadas após a tensão corrente continua de teste ser aplicada
durante 1 minuto.
Tabela 1 – Guia para aplicação de tensão cc para o teste de medição de isolamento.
Tabela 2 – Valores mínimos de RI para 40°C.
2.3 Leituras de Índice de Polarização
A resistência de isolamento medida geralmente aumentará rapidamente quando a
tensão for aplicada pela primeira vez e, então, quando aproximar-se gradualmente
do valor relativamente constante à medida que o tempo passa. As leituras de um
enrolamento seco em boas condições podem continuar a aumentar durante horas
com uma tensão de teste constante aplicada continuamente. Para tipos mais antigos
de isolamento, um valor razoavelmente estável é normalmente atingido em 10-15
minutos. Tipos modernos de fios revestidos com filmes bem como enrolamentos de
estator isolados com epóxi-mica ou poliéster-mica, podem aproximar-se de um valor
da resistência de isolamento em 4 minutos ou menos. Se o enrolamento estiver
úmido ou sujo, um baixo valor ser atingido 1 minutos ou 2 minutos após a aplicação
da tensão de teste. O índice de polarização é normalmente definido pela relação
entre o valor da resistência de 10 min (RI10) para o valor da resistência 1 min (RI1).
(A norma sugere no anexo A para a utilização de outros valores.) O índice de
polarização é indicativo da inclinação da curva característica (figura 2.6 IEEE
43:2000) e pode ser utilizado para avaliar a condição de isolamento. Para
proporcionar uma maior precisão em torno do ponto de um minuto e permitir que os
dados sejam plotados no papel de registro, também é comum tomar leituras em
outros intervalos, tais como 15 s, 30 s, 45 s, 1 min, 1,5 min, 2 min, 3 min, 4 min, ..., e
10 min.
Figura 5 - Medições de resistência de isolamento típicas para três máquinas
diferentes.
2.4 Corrente de Descarga
Após a retirada da tensão contínua aplicada, deve ser fornecido um circuito de
descarga adequado, veja figura 6. A corrente de descarga se manifesta em dois
componentes:
Figura 6 - corrente típica para isolamento de Epóxi-mica.
a) Um
componente de
corrente
de
descarga
capacitiva que
decai quase instantaneamente dependendo da resistência à descarga.
b) A corrente de descarga de absorção, que decai de um valor inicialmente elevado
para quase zero com as mesmas características que a corrente de carga inicial,
mas com a polaridade oposta. Este decaimento pode levar mais de 30 min
dependendo do tipo de isolamento e o tamanho da máquina sob teste.
Figura 7 - Medição de RI corrente de carga.
Figura 8 – Medição de RI corrente de descarga.
2.5 - Efeito da umidade
Independentemente da limpeza da superfície do enrolamento, se a temperatura do
enrolamento estiver no ou abaixo do ponto de orvalho do ar ambiente, uma película
de umidade pode se formar na superfície de isolamento, o que pode diminuir a
resistência de isolamento ou o índice de polarização. O efeito é mais pronunciado se
a superfície também estiver contaminada ou se houver rachaduras no isolamento.
Observe que os efeitos da contaminação por umidade em um enrolamento saudável
não devem impedir a obtenção de leituras aceitáveis. Alguns tipos de sistemas de
isolamento de enrolamento mais antigos são higroscópicos (absorvem água
facilmente) e a umidade pode ser puxada para o corpo do isolamento a partir da
umidade do ar ambiente. Isso é particularmente verdadeiro para os materiais
isolantes de mica asfáltica e goma-laca mais antigos, bem como para algumas tiras
de isolamento usadas entre condutores de cobre não isolados em grandes rotores
de gerador de turbina. A umidade absorvida aumenta a corrente de condução (IG) e
reduz significativamente a resistência de isolamento. As máquinas em serviço
geralmente estão a uma temperatura acima do ponto de orvalho. Quando os testes
devem ser conduzidos em uma máquina que está em serviço, os testes devem ser
feitos antes que a temperatura do enrolamento da máquina caia abaixo do ponto de
orvalho.
As máquinas que estão fora de serviço (sem aquecedores de ambiente) são
frequentemente testadas quando a temperatura do enrolamento está abaixo do
ponto de condensação e podem ter resistência de isolamento e leituras de índice de
polarização significativamente mais baixas do que o esperado devido à
contaminação por umidade. Pode ser necessário secar essas máquinas para obter
leituras aceitáveis antes de colocá-las novamente em serviço ou realizar testes de
alta tensão. Para procedimentos de secagem apropriados, consulte o fabricante do
equipamento. O histórico da máquina, inspeções visuais e outros resultados de teste
podem ajudar a avaliar o risco potencial de retornar ao serviço uma máquina com
baixa resistência de isolamento e / ou leituras de índice de polarização devido à
contaminação por umidade. Recomenda-se que uma máquina com baixo P.I. e as
leituras de IR1 não serão submetidas a mais testes de alta tensão.
2.6 - Efeito da temperatura
O valor da resistência de isolamento para um determinado sistema, em qualquer
ponto do tempo, varia inversamente, em uma base exponencial, com a temperatura
do enrolamento. Há um contraste entre a dependência da resistividade com a
temperatura em metais e materiais não metálicos, especialmente em bons
isoladores. Nos metais, onde existem numerosos elétrons livres, a temperatura mais
alta introduz uma maior agitação térmica, o que reduz o caminho livre médio do
movimento do elétron com a consequente redução da mobilidade do elétron e
aumento da resistividade. No entanto, em isoladores, um aumento na temperatura
fornece energia térmica, o que libera portadores de carga adicionais e reduz a
resistividade. Esta variação de temperatura afeta todos os componentes de corrente
identificados em 2.1, exceto para a corrente capacitiva geométrica. O valor da
resistência de isolamento de um enrolamento depende da temperatura do
enrolamento e do tempo decorrido desde a aplicação da tensão. A massa térmica da
máquina que está sendo testada é geralmente tão grande que o diferencial de
temperatura do enrolamento entre as leituras de 1 min e 10 min da resistência de
isolamento é desprezível, exceto para medições durante uma secagem na corrente
nominal. Para evitar os efeitos da temperatura na análise de tendência, testes
subsequentes devem ser conduzidos quando o enrolamento estiver próximo da
mesma temperatura do teste anterior. No entanto, se o enrolamento a temperatura
não pode ser controlado de um tempo de teste para outro, é recomendado que todos
os valores de teste de isolamento sejam corrigidos para uma temperatura base
comum de 40 ° C usando a Equação (1). Embora o valor corrigido seja uma
aproximação, isso permite uma comparação mais significativa dos valores de
resistência de isolamento obtidos em diferentes temperaturas.
A correção pode ser feita usando a Equação (1): Rc = KTxRT
Onde:
Rc - é a resistência de isolamento (MΩ) corrigida para 40°C, KT - é o coeficiente de
temperatura da RI na temperatura T°C,
RT - é medida a resistência de isolamento (MΩ) na temperatura T°C.
Para temperaturas de enrolamento abaixo do ponto de orvalho, é difícil prever o
efeito da condensação de umidade na superfície, portanto, uma tentativa de corrigir
para 40°C para análise de tendência introduziria um erro inaceitável. Nesses casos,
é recomendável que o histórico da máquina testada em condições semelhantes seja
o fator predominante na determinação da adequação para retorno ao serviço. No
entanto, uma vez que a contaminação por umidade normalmente reduz a resistência
de isolamento e / ou leituras de índice de polarização, é possível corrigir para 40 ° C
para comparação com os critérios de aceitação.
As equações (1.1) a (1.2) mostram como calcular a RI corrigida para a temperatura
de referência. O valor de KT (T) é determinado conforme o tipo de material que
compõe o isolamento, onde a temperatura T é dada em (0C).
RI−Corrigida(400C) = RI−MedidaKT (T) ( 1.1 ) Para materiais termoplásticos, como
isolamentos a base de mica asfáltica, ou enrolamentos fabricados antes de 1970, o
valor de KT (T) pode ser determinado por
(IEEE Standard 43, IEEE, 2013).
KT (T) = 0, 5(40−T)/10
(1.2)
No caso de isolamentos mais novos, fabricados após 1970, constituídos de materiais
termofixos como epóxi e poliéster, o valor de KT (T) pode ser determinado de acordo
com as equações (1.3) a (1.4). (IEEE Standard 43, IEEE, 2013).
KT (T) = e−1245(1T+273− 1313) para, 100C < T < 400C
( 1.3)
KT (T) = e−4230(1T+273− 1313) para, 400C < T < 850C
(1.4 )
A resistência de isolamento corrigida a 40 °C pode ser feita efetuando medições a
várias temperaturas, todas acima do ponto de orvalho, e colocando-as em um
gráfico. Quando uma escala logarítmica for utilizada para a resistência de isolamento
e uma escala linear para a temperatura, os valores obtidos no ensaio devem cair
aproximadamente em uma linha reta que indica o valor a 40°C. Para qualquer
temperatura, K t 40 °C pode ser determinado a partir deste gráfico. Um valor
aproximado para o fator de correção K t 40°C pode ser obtido, utilizando-se a Figura
9, que é baseada em dobrar a resistência de isolamento para cada 10°C de redução
na temperatura (acima do ponto de orvalho), a qual tem sido considerada típica para
alguns enrolamentos novos. Quando o índice de polarização for utilizado para
determinar o estado da isolação, não é necessário fazer a correção da temperatura
para 40 °C. efeito da temperatura sobre o índice de polarização é geralmente
pequeno, se a temperatura do motor não mudar apreciavelmente entre as leituras de
1 min e 10 min; mas, quando a temperatura é elevada, as características de
temperatura do sistema de isolação podem indicar um índice de polarização
reduzido e, neste caso, recomenda-se a medição abaixo de 40 °C para verificar o
estado real da isolação.
Figura 9 - Variação aproximada da resistência de isolamento com a temperatura
para máquinas elétricas girantes.
2.7 – Tipos, Isolamento e conexão de enrolamentos para teste de RI
Os enrolamentos de motores de baixa tensão, são respectivamente, construídos por
bobinas do tipo random (aleatórias) e form (pré-formadas). As Figuras 2.10 e 2.11
ilustram os dois tipos de bobinas montadas em estatores de MITs de BT as bobinas
do tipo form são mais usuais para motores acima de 1KV devido o tipo de descarga
parciais que venham acontecer nas curvas dos seus enrolamentos com o
rompimento da resistência de Ar no seu interior. As bobinas do tipo random são
utilizados em motores de baixa tensão (< 1000V) e potência até 100kW. As bobinas
do tipo form são utilizadas em motores de baixa e média tensão (> 1000V) com
potência superior a 100kW (G. C. Stone, E. A. Boutler, I. Culbert, H. Dhirani,2004).
Figura 10 - Foto de uma bobina random montada no estator de um MIT de BT.
Figura 11 - Foto de uma bobina form montada no estator de um MIT de MT.
A Figura 10 mostra a montagem em corte de uma bobina random na ranhura do
estator de um MIT de BT. Nos enrolamentos construídos por este tipo de bobinado,
o isolamento entre espiras é formado por um verniz a base de poliesterimida que
suporta altas temperaturas (até 1800C). Na sua montagem no núcleo, é colocado
um filme isolante a base de poliéster e aramida entre as bobinas, formando o
“isolamento entre bobinas”. Um papel a base de mica com alto poder de absorção
da resina epóxi forma o isolamento principal, ou “groundwall”, que envolve um
conjunto de bobinas, isolando- as do núcleo. Um filme isolante pode ser colocado na
parte superior da bobina para evitar espaços vazios durante a montagem da cunha.
Essa, por sua vez, fornece rigidez mecânica à bobina dentro da ranhura para o
processo de impregnação (A. L. M. Rodrigues, Estudo Comparativo de Sistemas de
Isolação em Motores de MT,2010).
12
Figura 12 – Sistema de isolamento de uma bobina do tipo random.
Após a montagem das bobinas no núcleo do estator, é realizada a impregnação por
imersão e cura do isolamento em estufa. O objetivo desse processo é possibilitar
que o verniz preencha os espaços vazios entre as camadas isolantes, assegurando
aderência entre os condutores e o núcleo, evitando que movimentações internas ou
vibrações danifiquem o isolamento. A Figura 13 ilustra um conjunto de estatores de
MITs de BT sendo imersos em um tanque com resina epóxi.
13
Figura 13 - Processo de impregnação por imersão de MITs de BT construídos por
bobinas random.
Recomenda-se, quando viável, que cada fase seja isolada e testada
separadamente. Testes separados permitem comparações a serem feitas entre as
fases. Quando uma fase é testada, as outras duas fases devem ser aterradas ao
mesmo aterramento que o núcleo do estator ou corpo do rotor. Ao testar todas as
fases simultaneamente, apenas o isolamento para aterramento é testado e nenhum
teste é feito do isolamento fase-fase. O isolamento fase-fase é testado apenas
quando uma fase está energizada e o outras fases são aterradas. Os cabos de
conexão, aparelhamento de escova, cabos, interruptores, capacitores, para-raios,
transformadores de tensão e outro equipamento externo pode influenciar muito a
leitura da resistência de isolamento. É recomendado que as medições da resistência
de isolamento devem ser feitas com todos os equipamentos externos desconectados
e aterrados. Em todos os casos, um terreno comum deve ser usado para evitar
quaisquer efeitos indesejáveis nos resultados do teste devido à dispersão perdas no
circuito de aterramento.
2.8 Desenvolvimento de Técnicas Off-Line para Avaliação do isolamento
Descrevendo a circulação de corrente no isolamento quando aplicado uma tensão cc
os modelos apresentam a decomposição das componentes de corrente que circulam
no material, permitindo identificar e compreender o comportamento dos fatores de
estresse que acarretam a falha do isolamento de MITs de BT. Também, são
descritos os fatores de estresse que acarretam a degradação do isolamento, bem
como as principais causas geradoras para estas falhas. A partir da análise do banco
de dados de teste da Petrobras-REDUC (Gerência de Manutenção Elétrica
REDUC,2015), são propostos projetos de classificadores baseados em RNAs para a
avaliação off-line do isolamento de MITs. O classificador off-line é projetado a partir
do agrupamento das curvas de Perfil da Resistência de Isolamento (PRI) utilizando o
algoritmo K-means.
2.8.1 Fatores de Estresse e Mecanismos de Degradação do Isolamento
A redução da RI, normalmente, está associada a algum fator de estresse que está
agindo sobre o isolamento, alterando a estrutura física ou química do material.
Esses fatores disparam algum mecanismo de degradação que causam redução
gradativa da sua capacidade dielétrica. Stone et al. Relaciona os fatores térmico,
elétrico, mecânico e ambiental, cujos os autores denominam como "Team Stress ",
como sendo os mais relevantes no processo de degradação do isolamento. (G. C.
Stone, E. A. Boutler, I. Culbert, H. Dhirani,2004).
O gráfico da Figura 3.1 mostra o estudo realizado por O’Donnell com o levantamento
dos fatores de estresse e as suas respectivas causas. A estatística foi realizada com
483 motores em indústrias do setor de óleo e gás dos Estados Unidos, mostrando
que o estresse térmico é o fator que mais causa falhas no isolamento do estator de
MITs. Os fatores de estresse podem agir de forma constante ao longo do tempo ou
atuar de forma transiente. Quando a ação do fator é constante, o tempo de falha
será proporcional ao número de horas de operação do motor. Por outro lado, uma
ação transiente de um fator de estresse acarreta num tempo de falha proporcional à
magnitude e ao número de transientes ao qual a máquina foi submetida (G. C.
Stone, E. A. Boutler, I. Culbert, H. Dhirani,2004).
14
Figura 14 – Estatística dos fatores de estresse e causas de falhas no isolamento do
estator de grandes MITs (P. O’Donnell,1985).
2.8.2 Estresse térmico
O estresse térmico é o fator que desencadeia a maior parcela de falhas em
isolamentos. Segundo estudos realizados de (P. O’Donnell,1985). O estresse
térmico representa cerca de 43% das falhas no isolamento elétrico do estator de
MITs de MT e AT, podendo ser superior a 50% em MITs de BT. A origem de
temperaturas elevadas no isolamento, superior à sua classe térmica, está associada
a condições operacionais, fatores ambientais, defeitos no sistema de proteção e
problemas de qualidade na alimentação do motor. Dentre algumas dessas causas
pode-se citar (G. C. Stone, E. A. Boutler, I. Culbert, H. Dhirani,2004): -Sobrecargas
mecânicas: elevação da temperatura devido ao aumento da carga no eixo do motor.
Associado a esse fato, normalmente, a proteção térmica ou de sobrecargaestá com
o ajuste superior ao recomendado;
- Defeitos em relés térmicos: perda da calibração permitindo que o motor opere com
sobrecarga; - deficiência ou perda do sistema de refrigeração do motor: quebra de
ventoinhas, obstrução dos trocadores de calor, baixa vazão dos fluidos de
resfriamento (água, ar), etc;
- Ciclos de partidas excessivas: o motor opera em regime de trabalho diferente da
sua especificação, sendo demandadas várias partidas em curtos intervalos de
tempo, acarretando em ciclos de aquecimento e resfriamento que ocasionam a
delaminação acelerada do isolamento;
- Desequilíbrio de tensões: aumentam a magnitude das correntes de sequência
negativa no estator, contribuindo para a elevação de temperatura e torque
pulsante na carga;
15
- Distorção harmônica na tensão de alimentação: harmônicas de sequência negativa
na tensão de alimentação também ocasionam a circulação de correntes de
sequência negativa no enrolamento do estator.
As causas relacionadas acima acarretam a elevação da temperatura do isolamento
acima da temperatura especificada pela sua classe térmica. De acordo com o limite
de trabalho dos materiais empregados no isolamento, a norma IEC 60034-1 (IEC
60034-1,2017) relaciona as classes observadas na Tabela 3:
Tabela 4 – Classe térmica do isolamento.
Quando o isolamento é submetido a temperaturas acima da sua classe térmica,
ocorre uma reação de oxidação no material dielétrico, ocasionando degradações
como o ressecamento, a formação de fissuras (rachaduras) e a delaminação do
isolamento. A delaminação é o processo de separação do material em camadas
devido à perda da força de coesão da resina de impregnação. O tempo de vida do
isolamento em função do estresse térmico pode ser aproximado pela Lei de
Arrhenius (K. Tshiloz, A. C. Smith,
S. Djurovic,2016). ditado na equação 1.5.
(1.5)
Onde:
- L: tempo de vida restante do isolamento (horas);
- Ln: tempo de vida nominal do isolamento (horas);
- Tn: temperatura de nominal do isolamento de acordo com sua classe (0C);
- ∆T: elevação da temperatura do isolamento (K);
16
- K: constante que depende do material isolante. Para o isolamento a base epóximica k ≈ 2011, 1 0C −1
Segundo a equação (1.5), para cada incremento de ∆T = 10°C na temperatura
nominal do isolamento, a vida útil do isolamento é reduzida pela metade. Nota-se,
então, a criticidade para se identificar algum processo de degradação do isolamento
ocasionado pelo estresse térmico. O isolamento submetido a algum mecanismo de
degradação térmica apresenta alterações em suas propriedades físico-químicas
(densidade, dureza, tensão superficial, energia de polarização, etc) e elétricas.
Ocorre o aumento da condutividade (σ) do isolamento com a redução da
capacitância (CI). Nesse último caso, a delaminação e o ressecamento aumenta a
quantidade de espaços vazios no isolamento que serão preenchidos com ar, que
possui permissividade menor que a do material dielétrico (G. C. Stone, E. A. Boutler,
I. Culbert, H. Dhirani,2004).
2.8.3 Fatores Ambientais
Os fatores ambientais estão relacionados à absorção de umidade, ou à
contaminação do material dielétrico por óleo/graxa e sujeira com presença de
partículas condutoras ou agentes químicos. Em conjunto, os fatores ambientais
correspondem a falhas do isolamento do estator de MITs de BT com este percentual
podendo chegar a quase 40% (O. V. Thorsen, M. Dalva,1999).
2.8.3.1
Absorção de umidade
Para MITs de BT a absorção de umidade representa um percentual que ultrapassa
os 30%. A característica higroscópica do material dielétrico faz com que a umidade
seja absorvida, ocorrendo o preenchimento dos espaços vazios entre as moléculas
do material dielétrico pelas moléculas de água. Isto ocorre porque a pressão de
vapor da água no isolante, normalmente, é menor que a sua pressão de vapor no ar
(G. C. Stone, E. A. Boutler,2004).
Os sais dissolvidos na água são absorvidos pelo isolamento aumentando a sua
condutividade. Também, ocorre aumento da capacitância, pois a permissividade da
água é maior que a do dielétrico. O mecanismo de degradação do isolamento pela
absorção de umidade ocorre pela redução acentuada da resistência do isolamento,
ocasionando elevadas correntes de fuga com maiores perdas dielétricas. Esse
processo, muitas vezes, acarreta a elevação de temperatura localizada num ponto
do isolamento, culminando em sua falha (O. D. Perez, M. P. Alonso,2005).
Normalmente, a absorção de umidade está associada a problemas de vedação nas
caixas de ligação do motor, ou de furos em tubos internos do sistema de
refrigeração, no caso de o motor possuir sistema de resfriamento por água (A. S.
Guedes, S. M. Silva, B. J. C. Filho,2016). A água presente no interior do motor é
absorvida pelo isolamento ocasionando rápida redução da RI e aumento da CI. O
acréscimo relativo de 1% na umidade do isolamento, acarreta um aumento de quase
100 vezes da sua condutividade, e de até 50 vezes da sua capacitância (M. A. R. M.
Fernando,2013).
17
Motores mantidos desenergizados por longos períodos podem apresentar redução
da resistência do isolamento pela absorção de umidade ambiente. Isso ocorre,
principalmente, pelo fato de a resistência de aquecimento do motor estar
desenergizada, ou da sua ausência no MIT. Motores operando continuamente com
temperaturas inferiores a 800C também podem ter o seu isolamento afetado pela
absorção de umidade (O. D. Perez, M. P. Alonso,2005).
3. Conclusão
Neste trabalho foi apresentado técnicas e estudos para a avaliação do isolamento de
MITs de BT. Com testes realizados na Arlanxeo Elastomeros, bem como,
referências relevantes sobre o tema mostram que o maior percentual de falhas
elétricas em MITs é a baixa resistência do isolamento do estator para a carcaça. As
bibliografias sobre o tema mostram que as ferramentas preditivas off-line para a
avaliação do estado do isolamento estão concentradas na MCC e que os ensaios
para de diagnósticos em MITs de BT são, em sua preditiva, aplicadas somente na
parada do equipamento (off-line), onde os critérios para a determinação dos fatores
de estresse que levam à degradação do isolamento não são identificados. Como os
resultados obtidos os ensaios off-line de resistência de isolamento não podem ser
considerados um critério exato de avaliação das condições do isolamento do MIT.
Os valores medidos podem ser usados como uma orientação sobre o seu estado,
baseando-se na avaliação do histórico do equipamento, assim, esta pesquisa deixa
brecha para elencar propostas de continuidade para trabalhos futuros.
Com a fundamentação teórica que fornece a base de sustentação desta pesquisa.
Os tipos de bobinas e isolamentos empregados em motores de baixa tensão com as
diferenças de construção e processo de fabricação dos enrolamentos do tipo
random e form para MITs de BT. Em ambos, os materiais empregados no
isolamento para terra, atualmente, são os mesmos. A dedução das equações para
os cálculos do IP e do IA para análise do isolamento permitem associar a variação
destas grandezas, obtidas a partir do ensaio off-line do motor (com aplicação de
Vcc), com um determinado fator de estresse agindo sobre o isolamento.
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