Descargas detectadas no enrolamento final com o monitoramento de descargas parciais

O monitoramento de descargas parciais tornou-se uma ferramenta essencial para as concessionárias de serviços públicos que gerenciam frotas de geradores envelhecidos. Esse estudo de caso da BC Hydro ilustra como o monitoramento on-line contínuo pode detectar a deterioração das condições de isolamento e orientar intervenções de manutenção eficazes.

O desafio do envelhecimento dos ativos de geradores

Os geradores hidrelétricos são projetados para uma vida útil longa, geralmente operando de forma confiável por 40, 50 ou até 60 anos. No entanto, à medida que essas máquinas envelhecem, os sistemas de isolamento do enrolamento do estator podem sofrer várias formas de degradação. O desafio para as concessionárias é detectar esses problemas com antecedência suficiente para realizar a manutenção planejada, em vez de responder a falhas inesperadas.

Os testes periódicos tradicionais durante as interrupções programadas fornecem apenas instantâneos da condição do isolamento. Entre esses testes - que podem ocorrer com anos de intervalo - as condições podem mudar. O monitoramento on-line contínuo resolve essa lacuna, fornecendo visibilidade contínua da integridade do enrolamento do estator enquanto o gerador opera em condições normais.

Antecedentes do caso

Empresa: BC Hydro, Colúmbia Britânica, Canadá

Especificações da máquina:

• Tipo: Gerador hidrelétrico resfriado a ar.
• Classificação: 239 MVA, 13,8 kV.
• Idade: 37 anos.
• Fabricante: Confidencial.

Com 37 anos de idade, esse gerador representava um ativo maduro na frota da BC Hydro. Embora ainda prestasse um serviço confiável, a máquina precisava ser monitorada de perto para garantir a continuidade da operação segura e permitir o planejamento proativo da manutenção.

O sistema de monitoramento

A BC Hydro equipou esse gerador com um sistema abrangente de monitoramento de descarga parcial. A instalação consistiu em seis acopladores PDA (sensores capacitivos) em cada uma das três fases - dezoito sensores no total. Esses sensores foram conectados a um instrumento de monitoramento contínuo HydroTrac.

Os acopladores capacitivos detectam os sinais de alta frequência gerados pela atividade de descarga parcial dentro do sistema de isolamento. Ao capturar e analisar continuamente esses sinais durante a operação normal do gerador, o sistema de monitoramento pode identificar alterações nos padrões de descarga que indicam o desenvolvimento de problemas.

A vantagem do monitoramento contínuo em relação aos testes periódicos é a capacidade de observar tendências ao longo do tempo e detectar problemas assim que eles começam a se desenvolver, em vez de esperar pela próxima interrupção programada.

O que os dados revelaram

O sistema de monitoramento HydroTrac detectou a atividade de descarga parcial especificamente na região de curva final do enrolamento do estator. As curvas finais (também chamadas de enrolamentos finais ou saliências) são as partes das bobinas que se estendem além do núcleo do estator em ambas as extremidades da máquina. Essas regiões são particularmente vulneráveis a certos tipos de problemas de isolamento porque ficam expostas à atmosfera interna em vez de serem protegidas dentro das ranhuras do núcleo.

A atividade de descarga foi mais pronunciada na Fase C do sistema trifásico. A análise dos padrões de descarga parcial forneceu informações importantes de diagnóstico sobre a natureza e a gravidade do problema.

Entendendo a assinatura de diagnóstico

Os dados de descarga parcial da Fase C foram exibidos em um gráfico bidimensional que mostra a relação entre a magnitude da descarga e o ciclo de tensão CA. Esse tipo de visualização é uma ferramenta de diagnóstico padrão na análise de descargas parciais.

Como mostra a Figura 1, o gráfico revelou uma grande saliência em altas magnitudes de descarga. Essa saliência apareceu nas partes positivas e negativas do ciclo de CA, indicando a atividade de descarga que ocorre em toda a forma de onda da tensão. Os níveis de magnitude e o padrão dessa atividade indicavam uma condição que exigia atenção.

_{Figura 1: Gráfico PD 2D mostrando a protuberância em altas magnitudes - Fase C}

A capacidade de caracterizar padrões de descarga dessa forma é uma das principais vantagens do monitoramento moderno de descarga parcial. Em vez de simplesmente detectar a presença de descarga, o sistema pode fornecer informações detalhadas sobre a magnitude, a frequência e a relação de fase da descarga - o que ajuda a diagnosticar a causa subjacente.

Resposta da Manutenção

Munida de informações específicas sobre o local e a natureza da atividade de descarga, a equipe de manutenção da BC Hydro conseguiu planejar uma intervenção direcionada. Os dados dos acopladores PDA indicaram que a descarga estava ocorrendo nas proximidades de sensores específicos, permitindo que a equipe concentrasse seus esforços em uma área definida do enrolamento.

O processo de reparo

O trabalho de manutenção se concentrou nas dez barras do estator localizadas mais próximas dos acopladores PD que haviam detectado a atividade de descarga elevada. Essas barras foram submetidas a um processo de reparo em duas etapas:

1. Limpeza: As superfícies das dez barras identificadas foram completamente limpas.
2. Revestimento: Após a limpeza, as barras foram revestidas com epóxi Glyptal vermelho.

O epóxi glyptal é um material isolante padrão usado em aplicações de máquinas elétricas. O processo de revestimento restaurou a superfície de isolamento dessas barras.

Resultados mensuráveis

Um dos aspectos mais valiosos do monitoramento contínuo é a capacidade de verificar imediatamente se um reparo foi bem-sucedido. Em vez de esperar pelo próximo teste programado ou ter problemas contínuos, os operadores podem ver em tempo real se a ação corretiva abordou a causa raiz. Nesse caso, os resultados foram claros e dramáticos.

Desempenho pós-reparo

Após a conclusão do trabalho de manutenção, o HydroTrac continuou a monitorar e a criar tendências para os níveis de descarga parcial nas três fases. Os dados de tendência da Fase C mostraram uma redução significativa na atividade de DP (Figura 2).

_{Figura 2: Tendência da atividade de DP - Fase C}

O gráfico de tendência abrange de abril de 2005 a janeiro de 2006 e ilustra claramente o impacto do reparo. Antes da intervenção de manutenção em outubro de 2005, a Fase C apresentava níveis de DP superiores a 2.500 mV. Após a limpeza e o revestimento das dez barras, os níveis de descarga caíram para menos de 500 mV - uma redução de mais de 80%.

O mais importante é que os dados de monitoramento mostraram que essa melhoria foi mantida ao longo do tempo. Os níveis de DP permaneceram baixos e estáveis até janeiro de 2006 e depois, confirmando que o reparo havia resolvido com sucesso o problema subjacente, em vez de proporcionar apenas um alívio temporário.

A proposta de valor

Este estudo de caso demonstra vários benefícios importantes que o monitoramento contínuo de descargas parciais proporciona para o gerenciamento da frota de geradores:

Detecção precoce de problemas

O sistema de monitoramento identificou um problema de isolamento enquanto o gerador ainda estava operando normalmente. Não houve nenhuma indicação de falha, nenhum alarme, nenhum disparo - apenas o desenvolvimento gradual da atividade de descarga que o monitoramento contínuo detectou em seus estágios iniciais. Esse aviso antecipado proporcionou tempo para planejar e programar a manutenção durante uma interrupção conveniente, em vez de responder a uma emergência.

Precisão de diagnóstico

Os dados de monitoramento não indicaram apenas que "algo está errado em algum lugar". Esse nível de detalhes de diagnóstico permitiu reparos direcionados em vez de investigações extensas ou substituições em massa.

Uso eficiente dos recursos de manutenção

Como os dados de monitoramento apontaram a área problemática, a equipe de manutenção pôde concentrar seus esforços em dez barras específicas em vez de inspecionar todo o enrolamento. Essa eficiência se traduz diretamente na redução do tempo de paralisação e dos custos de manutenção.

Verificação objetiva do reparo

Os dados de tendências pós-reparo forneceram evidências quantitativas e objetivas de que o trabalho de manutenção havia sido bem-sucedido. Em vez de depender de inspeção visual ou avaliação subjetiva, o mesmo sistema de monitoramento que detectou o problema confirmou que ele havia sido resolvido. Essa verificação dá aos operadores confiança para recolocar a máquina em funcionamento.

Gerenciamento de ativos de longo prazo

Além do caso imediato, o monitoramento contínuo fornece informações valiosas para decisões de gerenciamento de ativos de longo prazo. Os dados ajudam os serviços públicos a entender quais máquinas estão apresentando problemas, que tipos de problemas estão ocorrendo e com que rapidez as condições estão mudando. Essas informações ajudam a planejar melhor a manutenção futura e a eventual substituição.

Contexto mais amplo: Tecnologia de monitoramento de descarga parcial

A tecnologia demonstrada neste caso tem se tornado cada vez mais comum em programas de monitoramento de condições de geradores. Entender como ela funciona ajuda a explicar por que é tão eficaz.

O que é descarga parcial?

A descarga parcial é uma descarga elétrica localizada que rompe apenas parcialmente o isolamento entre os condutores. Ao contrário de uma ruptura completa (que causaria falha imediata), as descargas parciais são pequenos eventos que ocorrem repetidamente dentro de espaços vazios, ao longo de superfícies ou em outros pontos fracos do sistema de isolamento.

Embora os eventos de descarga individuais possam não danificar imediatamente o isolamento, com o tempo eles podem contribuir para a degradação. Mais importante ainda, a presença de descarga parcial serve como um indicador de que algo está errado com o sistema de isolamento - há espaços vazios, contaminação, deterioração ou outros defeitos que não deveriam estar lá.

Por que monitorar on-line?

A descarga parcial pode ser medida off-line (com o gerador desligado e a tensão de teste aplicada) ou on-line (durante a operação normal). Cada abordagem tem suas vantagens, mas o monitoramento on-line oferece vários benefícios exclusivos:

• Condições reais de operação: O gerador experimenta a tensão, a temperatura e as forças mecânicas reais de operação.
• Tendências contínuas: As alterações podem ser detectadas imediatamente, em vez de esperar meses ou anos entre os testes.
• Sem interrupção: O teste ocorre sem tirar o gerador de serviço.
• Histórico operacional: O sistema constrói um histórico completo do comportamento da descarga em várias condições operacionais.

Aplicação a hidrogeradores

Os hidrogeradores apresentam oportunidades e desafios para o monitoramento de descargas parciais. Por um lado, essas máquinas normalmente operam em tensões relativamente moderadas (em comparação com grandes geradores de turbina), o que pode facilitar a detecção de descarga. Por outro lado, as máquinas geralmente são bastante antigas, podem passar por condições operacionais variáveis e podem desenvolver diversos problemas de isolamento.

Os problemas de enrolamento final, como os detectados nesse caso, são particularmente comuns em geradores hidrelétricos porque:

• Os enrolamentos finais são expostos à atmosfera interna.
• Os padrões de fluxo de ar podem depositar contaminantes nas superfícies de isolamento.
• As variações de temperatura e umidade podem afetar as condições da superfície.
• As máquinas podem operar por décadas, permitindo o acúmulo gradual de contaminação.

Lições para a gestão de frotas de geradores

Esse caso da BC Hydro fornece várias lições para as concessionárias que gerenciam ativos semelhantes:

• Investir em infraestrutura de monitoramento: O investimento relativamente modesto em acopladores PDA e instrumentação de monitoramento rendeu dividendos ao detectar um problema antecipadamente e permitir reparos direcionados.
• Agir com base nos dados: Ter uma tecnologia de monitoramento só tem valor se os dados forem revisados, analisados e se houver ação. A equipe da BC Hydro claramente tinha processos em vigor para analisar os dados de tendências e responder adequadamente.
• Documentar e compartilhar resultados: Ao documentar esse caso (por meio de publicação no IRMC 2006), a BC Hydro contribuiu para o conhecimento do setor e ajudou outras concessionárias a aprender com sua experiência.
• Considerar a implantação em toda a frota: O sucesso dessa máquina sugere o valor da implantação de um monitoramento semelhante em outros geradores da frota, especialmente em unidades antigas.

Conclusão

Para a BC Hydro, o monitoramento contínuo de descargas parciais nesse hidrogerador de 37 anos de idade detectou com sucesso a atividade de descarga do enrolamento final que exigia atenção. Os dados de monitoramento permitiram uma manutenção direcionada - limpeza e revestimento de dez barras do estator - que resultou em uma redução significativa e sustentada dos níveis de descarga.

O caso ilustra o valor prático do monitoramento on-line das condições de máquinas rotativas. Ao fornecer visibilidade contínua da condição do isolamento, aviso antecipado de problemas em desenvolvimento, informações de diagnóstico para orientar os reparos e verificação objetiva da eficácia da manutenção, essa tecnologia ajuda as concessionárias a maximizar a confiabilidade e a vida útil dos ativos críticos de geração.

À medida que as frotas de geradores continuam a envelhecer e os intervalos entre as principais revisões se estendem, as abordagens de manutenção baseadas em condições apoiadas pelo monitoramento contínuo se tornarão cada vez mais importantes para manter a confiabilidade da frota e, ao mesmo tempo, gerenciar os custos.

Referência:

S. Li e J. M. Y. Chow, "Partial Discharge Measurements on Hydro Generator Stator Windings Case Studies," IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 23, no. 3, pp. 5-15, maio-junho de 2007, doi: 10.1109/MEI.2007.369456.