Teste on-line de descarga parcial para geradores de turbina resfriados a hidrogênio

Os geradores de turbina em usinas nucleares, a carvão, a óleo e algumas usinas a gás tendem a ser classificados acima de algumas centenas de megawatts. Essas máquinas tendem a ser resfriadas por hidrogênio (e acima de 500 MW, tanto resfriadas diretamente por água quanto por hidrogênio). Os geradores de turbina resfriados a hidrogênio têm muitas vantagens. Devido à pequena massa da molécula de hidrogênio, a eficiência de uma máquina resfriada a hidrogênio é maior do que a de uma máquina resfriada a ar, pois há menos perda de "vento" criada pelo rotor giratório.

A ausência de oxigênio na máquina também significa que os processos de envelhecimento que incluem a oxidação não ocorrem e, portanto, o envelhecimento térmico é muito mais lento. O hidrogênio de alta pressão também é muito mais eficaz do que o ar na remoção de calor devido às perdas de I2R no rotor e no estator.

Um efeito colateral importante do uso de hidrogênio de alta pressão (15 a 60 psi-g ou 100 a 400 kPa-g) em geradores de turbina é que ele suprime fortemente a descarga parcial. A resistência à ruptura elétrica do ar e do hidrogênio é próxima. O que torna a resistência à ruptura do hidrogênio muito maior é o efeito da pressão.

Já se sabe há mais de um século que a ruptura elétrica é fortemente afetada pela pressão do gás. A maioria dos gases tem uma resistência à ruptura elétrica de cerca de 3 kV/mm quando secos e a 100 kPa. Por outro lado, se a pressão for três vezes maior, a resistência à ruptura será de 9 kV/mm. O efeito dramático da pressão sobre a ruptura resulta na supressão da descarga parcial em máquinas de alta pressão resfriadas a hidrogênio.

Portanto, as perguntas frequentes são:

1. A descarga parcial é uma causa de falha de isolamento?
2. O monitoramento on-line de descarga parcial é útil?

A resposta curta é não e sim, respectivamente.

A descarga parcial ainda está presente em geradores de turbina resfriados a hidrogênio, apesar do efeito da pressão. Um motivo pelo qual a descarga parcial ainda ocorre é que essas máquinas geralmente são projetadas para funcionar com tensão operacional mais alta (até 27 kV) e tensão elétrica média de projeto mais alta (normalmente >3 kV/mm em comparação com máquinas resfriadas a ar).

Ou seja, os fabricantes aproveitam as propriedades de supressão de descarga parcial do hidrogênio de alta pressão e reduzem as folgas em comparação com as máquinas resfriadas a ar. Além disso, certos tipos de degradação ainda resultarão nos campos elétricos necessários para quebrar o hidrogênio de alta pressão. Mas, diferentemente das máquinas resfriadas a ar, a descarga parcial em si não degradará significativamente o isolamento.

A maior descarga parcial normalmente medida em máquinas resfriadas a ar pode degradar lentamente o epóxi (embora isso possa levar décadas) - mas o mais importante é que a descarga parcial no ar cria ácido nítrico que pode atacar quimicamente o isolamento. Esse fenômeno de ataque químico não ocorre em máquinas resfriadas a hidrogênio. Na minha experiência, a descarga parcial nunca foi a causa direta de falha em máquinas resfriadas a hidrogênio.

Então, o monitoramento de DP é útil em máquinas resfriadas a hidrogênio? Mais de 50 anos de experiência mostraram que o teste de descarga parcial on-line pode detectar dois importantes processos de falha em geradores de turbina resfriados a hidrogênio:

1. Enrolamentos soltos na ranhura, levando à descarga da ranhura
2. Contaminação dos enrolamentos finais do estator por materiais parcialmente condutores, como óleo misturado com poeira/sujeira, o que leva ao rastreamento elétrico.

Nesses casos, a descarga parcial é apenas um sintoma de que há enrolamentos soltos e contaminação. Especificamente, a descarga parcial é apenas um sintoma, não um fator que contribui para a taxa de deterioração.

Essa capacidade de detectar enrolamentos soltos na ranhura e contaminação foi demonstrada em dezenas de estudos de caso publicados desde a década de 1970. A descarga parcial, sendo um sintoma desses dois processos de deterioração, é a razão pela qual todos os principais fabricantes de geradores de turbina oferecem serviços de teste de descarga parcial on-line (assim como a Iris-Qualitrol).

Deve-se observar, no entanto, que a descarga parcial on-line não parece ser capaz de detectar pequenos vazamentos de água no isolamento ou vibração do enrolamento final - duas outras causas importantes de envelhecimento ou falha do enrolamento inicial.