A proposta deste trabalho é a realização de uma modelagem dinâmica e multifísica das descargas parciais (DPs) através de um software de elementos finitos, com objetivo de obter padrões de ocorrência que permitam caracterizar os diversos tipos de DPs e estimar com precisão as regiões do isolamento que contêm defeitos para prever os tempos até as falhas. Em máquinas elétricas de grande porte, a ocorrência de descargas parciais é uma das principais causas de falhas na isolação elétrica. Essas descargas ocorrem devido à ionização gasosa transitória em parte do sistema de isolamento, após o estresse elétrico exceder um valor crítico. O fenômeno das DPs tem influência de fatores elétricos, térmicos, mecânicos e ambientais, o que dificulta a previsibilidade de sua ocorrência. As descargas parciais podem se desenvolver em todo o sistema de isolamento do enrolamento de uma máquina elétrica devido a tecnologias de fabricação específicas, deficiências de fabricação, envelhecimento normal em serviço ou envelhecimento anormal. O projeto da máquina, a natureza dos materiais usados, os métodos de fabricação e as condições de operação são fatores que podem afetar profundamente a quantidade, localização, características, evolução e a relevância da DP. A norma IEC/TS 60034-27-2 classifica as descargas parciais em quatro grupos de acordo com a sua origem: descargas internas, descargas de ranhura, descargas na cabeça da bobina e descargas por partículas condutivas. Descargas internas: Segundo a norma [4], as descargas parciais internas podem ocorrer em quatro formas diferentes, que são: cavidades internas, delaminações internas, delaminações entre condutores e a isolação, e arborescência elétrica. A seguir cada serão detalhadas as características de cada uma delas. Cavidades internas: As cavidades internas são pequenos espaços vazios preenchidos por gás que surgem no sistema de isolamento durante o processo de fabricação. Apesar de ser realizada a impregnação do enrolamento, o aparecimento de alguma cavidade é inevitável. Desde que as cavidades internas sejam pequenas e não aumentem significativamente com o tempo de serviço da máquina, a confiabilidade operacional não é reduzida. Em máquinas rotativas de média ou alta tensão é muito comum o uso de fitas de mica reforçadas com fibras de vidro impregnadas, para impedir que as DPs evoluem e causem a ruptura completa do isolamento [4]. Delaminações internas: As delaminações internas surgem na isolação principal como grandes espaços vazios, que quando submetidas à campos elétricos intensos, podem resultar em descargas parciais de alta energia, capazes de comprometer substancialmente o isolamento. As principais causas para a formação de uma delaminação interna são a cura imperfeita do sistema de isolamento durante a fabricação e as sobrecargas mecânicas ou térmicas. A delaminação é um dos defeitos mais prejudiciais que pode ocorrer no isolamento, pois reduz a condutividade térmica do mesmo, o que pode levar ao envelhecimento acelerado ou até mesmo à uma fuga térmica. Portanto, as delaminações necessitam de atenção especial quando as DPs estão sendo monitoradas [4]. Delaminações entre condutores e a isolação: As delaminações localizadas entre as interfaces dos condutores e a isolação principal são causadas normalmente devido aos ciclos térmicos. Segundo [4], este tipo de delaminação pode originar descargas parciais que evoluem de forma rápida, e que são responsáveis por gerar falhas principalmente em bobinas múltiplas voltas. Arborescência elétrica: A arborescência elétrica é um fenômeno associado à ocorrência de descargas parciais internas e normalmente são originadas em regiões do sistema de isolamento em que há presença de impurezas, estruturas rugosas, cavidades ou delaminações. Este fenômeno é identificado por finos canais de erosão que se propagam através do epóxi ao redor das barreiras de mica, e são semelhantes à forma de um arbusto de estrutura ramificada [4]. A arborescência é criada após a ocorrência de sucessivas DPs, que provocam a decomposição e a carbonização de parte do material dielétrico, o que acelera o processo de envelhecimento do mesmo, podendo ocasionar rupturas completas com o passar do tempo. Descargas de ranhura: As descargas de ranhura ocorrem quando a camada condutiva é danificada. Isso pode ocorrer devido ao movimento de barras ou bobinas frouxas na ranhura ou na área de saída da ranhura, causado por exemplo por perda de pressão da cunha, erosão do material, abrasão, desgaste químico ou deficiências de fabricação. Quando danos mecânicos graves estão presentes, descargas de ranhura de alta energia podem ser desenvolvidas, o que pode resultar em danos adicionais ao isolamento principal e, eventualmente, em uma falha do isolamento. Esse tipo de descarga ocorre normalmente nas extremidades de maior tensão de cada fase, onde os campos elétricos estão concentrados localmente e são de intensidades elevadas. Quando há vibrações das barras, a deterioração do isolamento por descargas de ranhura acontece de forma muito mais rápida, quando comparado com outros efeitos prejudiciais. Por esse motivo, é essencial a detecção do problema ainda em seu estágio inicial, para o caso de ser necessária a execução das ações de manutenção. Descargas na cabeça da bobina: As descargas parciais na área da cabeça da bobina podem ocorrer em vários locais onde a concentração do campo elétrico é elevada. Essas descargas ocorrem geralmente nas interfaces entre diferentes elementos da cabeça da bobina do enrolamento do estator, podendo ser divididas entre descargas de superfície e descargas entre fases. Descargas de superfície: As descargas de superfície normalmente surgem quando o campo elétrico estabelecido ao longo de uma superfície se torna superior ao campo de ruptura do gás em que se está envolvido. Isso pode ocorrer quando não se aplica nenhum revestimento para controle do estresse elétrico ou quando a camada de revestimento da cabeça da bobina se torna ineficiente devido a interfaces mal projetadas, contaminação por poeira ou umidade, porosidade, efeitos térmicos, entre outros fatores. Quando a isolação da fita semicondutiva está comprometida, o desenvolvimento das descargas de superfície pode resultar na erosão gradual dos materiais. Embora esse processo seja lento, a ocorrência das DPs de superfície nas regiões da cabeça da bobina pode originar faltas fase-terra. Descargas entre fases: O surgimento de DPs entre fases pode acontecer devido à tamanhos de folgas insuficientes entre bobinas ou ao uso incorreto dos elementos de suporte da cabeça da bobina, como espaçadores ou cordas. Essas descargas são capazes de atingir altas magnitudes dependendo de detalhes específicos do projeto, e podem ocorrer como descargas de superfície ou também como descargas internas. O tempo entre a detecção deste fenômeno e a falha completa do isolamento é incerta, porém sabe-se que esse tipo de DP é capaz de produzir rupturas por meio de falhas fase-fase [4]. Partículas condutivas: Grandes concentrações de descargas parciais podem existir em locais do enrolamento contaminados por partículas condutivas, principalmente por partículas pequenas. A incidência desse tipo de DP pode resultar em um isolamento com várias cavidades pequenas, que podem originar falhas com o decorrer do tempo de serviço da máquina, caso haja aumentos significativos na frequência de ocorrência dessas DPs.

Artigo publicado:

Machado, G.d.O.; Gomes, L.C.; da Silveira, A.W.F.V.; Tavares, C.E.; de Andrade, D.A. Impacts of Harmonic Voltage Distortions on the Dynamic Behavior and the PRPD Patterns of Partial Discharges in an Air Cavity Inside a Solid Dielectric Material. Energies 2022, 15, 2650. https://doi.org/10.3390/en15072650.