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Falhas prematuras em motores de média tensão

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Edição 64 - Maio de 2011
Por Ricardo de Alcântara Carvalho

Estudo identifica falhas precoces em motores de indução e indica oportunidades de melhorias em testes de fábrica específicos para motores, no procedimento de string-teste e no tocante à preservação, ao comissionamento e à operação e manutenção dos motores.

A aplicação de motores de indução trifásicos utilizando o método de partida direta na rede, ou seja, à plena tensão, é usual em grandes sistemas industriais de plantas de produção e de processamento de petróleo e também em petroquímicas. Quando esses motores operam com tensões de 1.000 V e acima, eles são fabricados com enrolamento estatórico com bobinas pré-formadas.

Nesse tipo de enrolamento, os esforços mecânicos devidos às elevadas correntes de partida, dentre diversos mecanismos de envelhecimento do sistema de isolação, são os que requerem atenção especial no dimensionamento e na montagem: das amarrações das ligações entre bobinas, das ligações das bobinas com os cabos terminais e da restrição de movimento entre as cabeças de bobinas e os trechos retos do enrolamento estatórico. Na norma API-541, são apresentados diversos requisitos para motores de indução com gaiola de esquilo e potência de 373 kW (500 HP) ou acima. Os enrolamentos estatóricos, além de pré-formados, devem ser fabricados com o sistema de isolação firmemente apertado, inclusive nas ligações entre as bobinas e nos cabos terminais para evitar a ocorrência de fissuras e fadiga na isolação. Tais problemas seriam provocados por esforços mecânicos que normalmente ocorrem durante a partida à plena tensão, na operação em regime (vibrações no dobro da frequência da rede, variações no carregamento e no suprimento de energia) e em condições de transitórios elétricos (incluindo forças associadas a curtos-circuitos bi e trifásicos).

Este trabalho aborda a análise de falhas prematuras ocorridas no isolamento (e até mesmo nos condutores) dos enrolamentos estatóricos de motores de indução que operam no nível de 13.800 V, que foram adquiridos dos aqui denominados fabricante “A” e fabricante “B”. Os impactos causados na produção das unidades, pela indisponibilidade desses motores, foi fator determinante para a criação de grupos de trabalho (GTs) que avaliaram as hipóteses apresentadas pelos dois fabricantes dos motores, as hipóteses de uma terceira parte especialista em fabricação/reparo de motores e as hipóteses formuladas pelos próprios integrantes dos grupos após verificar o estado dos principais componentes dos motores. O acompanhamento desses e outros problemas que surgiram continuou intensamente após a emissão dos relatórios desses GTs.

No decorrer das análises, foram identificadas diversas oportunidades de melhoria relacionadas à especificação, aos testes, á preservação, ao comissionamento de máquinas elétricas rotativas e aos ajustes da proteção elétrica dos motores e do sistema elétrico. A participação e dedicação dos integrantes dos grupos de trabalho criados e dos usuários finais dos motores foram fundamentais para a obtenção dos resultados apresentados a seguir.

Esse trabalho não esgota o assunto, principalmente pela dificuldade encontrada em definir ensaios nos enrolamentos estatóricos que comprovadamente evidenciam, ainda na fábrica, fragilidades para suportar os esforços mecânicos a que ficam normalmente submetidos na partida e em regime.

Falhas nos motores do fabricante "A"

As ocorrências e a análise
Seis motores (4.800 kW – 6.400 HP, 13.800 V, dois polos e partida direta na rede) de duas unidades de produção de petróleo distintas (porém com projetos semelhantes) falharam de forma similar (curto-circuito no isolamento de bobina em saída de ranhura do estator), conforme se pode observar nas Figuras 1 e 2. Isso ocorreu no período de dezembro de 2005 a maio de 2009 (o início de operação do primeiro desses motores foi por volta de abril de 2005).

 

Figura 1 – Falha no isolamento localizada na saída de ranhura de um dos motores que falhou (todos apresentaram falhas de isolamento em saída de ranhuras). Foi observado neste e em outros motores que o pó gerado pela abrasão, presente no interior da carcaça, acumulava-se na superfície das bobinas nas quais ocorre a mudança de potencial (extremos de grupos de bobinas).


Foi criado um GT, após a falha do primeiro motor (ocorrida em dezembro de 2005), que avaliou as causas prováveis para a falha apresentada pelo fabricante “A”, a opinião de especialista em fabricação/reparo de máquinas elétrica rotativas, contratado pelo usuário, e as informações disponíveis sobre o motor. Foram geradas conclusões e recomendações. Avaliações baseadas em fotografias obtidas na inspeção do primeiro motor, em oficina de reparo de terceiros (esse fabricante não possui fábrica nem oficina própria no Brasil), indicaram não haver ocorrido dano no rotor (Figura 3).

O curto-circuito nas saídas de ranhuras do estator foi pontual, não havendo indícios de ter ocorrido sobreaquecimento provocado por circulação de corrente elevada por tempo insuficiente para que ocorresse o resfriamento do enrolamento estatórico. Também foi observado o grande comprimento das cabeças de bobinas do estator, característico em motores de alta velocidade, com aspecto semelhante a uma viga em balanço (Figura 4). O pó de resina observado nas cabeças de bobinas (Figuras 1, 2 e 4) foi gerado pela abrasão que ocorreu entre as bobinas e as cordas de amarração durante a partida e na operação em regime do motor, momentos em que aconteceram movimentações e vibrações excessivas nas cabeças de bobinas devido ao seu escoramento deficiente. A perda de material criou folgas na amarração das cabeças de bobinas. Isso permitiu um aumento gradativo da movimentação relativa entre a parte reta da bobina (inserida na ranhura) e a cabeça da bobina na saída de ranhura (em balanço), provocando fissura no isolamento e curto-circuito.

As Figuras 5a e 5b exibem folgas nas amarrações das cabeças de bobinas que permitiam a sua movimentação apenas com o uso das mãos. As seguintes hipóteses foram descartadas, pelos integrantes do GT, como possíveis causas raízes:

  • Aquecimento excessivo por sobrecarga;
  • Torque de partida inadequado;
  • Vibração de fonte externa;
  • Tensão residual (reaceleração após transiente de tensão);
  • Presença de harmônicos na rede;
  • Falha da bomba;
  • Alta corrente de partida;
  • Surtos de manobra;
  • Falha do sistema de bombeio.

Figura 2 – Detalhe da falha no isolamento de bobina na saída de ranhura do estator apresentado na Figura 1.

Este artigo na íntegra pode ser conferido nas versões impressa e eletrônica da revista O Setor Elétrico de maio/2011.

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