TESTE DE FATOR DE POTÊNCIA PARA QUALIFICAÇÃO DO
ISOLAMENTO EM MOTORES DE TRAÇÃO DC DE LOCOMOTIVAS
RESUMO
O motor de tração DC é um componente crítico na manutenção de locomotivas na
concessionária. Um dos principais modos de falha deste componente é a falha do
isolamento elétrico da armadura ou da carcaça. Portanto, é necessário ter um processo
bem definido para qualificar o isolamento elétrico das armaduras e carcaças dos motores
de tração. Com o processo atual de qualificação dos motores de tração, ainda são
verificadas falhas no isolamento elétrico durante o tempo de operação. Verificou-se
então a necessidade do desenvolvimento de um novo parâmetro para a qualificação do
isolamento elétrico, o teste de ângulo de fase ou de fator de potência. Neste parâmetro, a
condição do isolamento pode ser estimada tratando-o como o dielétrico em um
capacitor. A capacitância e o fator de potência do isolamento do motor de tração podem
ser medidos usando uma fonte adequada de corrente alternada. A mudança na
capacitância ou no fator de potência é uma medida da condição do isolamento do motor
de tração. Ao utilizar estes conceitos o objetivo é melhorar a qualificação do isolamento
dos motores de tração, reduzindo a taxa de falhas deste componente.
1 – Introdução
1.1 – O componente crítico motor de tração
Um dos principais componentes de locomotivas é o motor de tração, que é um
motor elétrico de corrente contínua ou alternada, suprido de energia pelo gerador e cuja
função é transformar energia elétrica em mecânica, que é transferida às rodas da
locomotiva por intermédio de acoplamento por engrenagem. A definição de que o motor
de tração é um dos principais componentes das locomotivas da concessionária em
questão foi obtida ao utilizar uma ferramenta de priorização de problemas, tabela GUT,
que tem este nome por levar em consideração a gravidade, urgência e tendência de cada
problema.
Segundo VALLE [1], a ferramenta GUT utiliza uma tabela para a priorização de
problemas na sua solução. Ela é utilizada na definição de prioridades quando se tem
diversas tarefas a serem realizadas.
Na priorização da definição de quais componentes de locomotivas são críticos, a
gravidade, urgência e tendência são definidos nos parágrafos seguintes.
Gravidade: indica o nível de falhas apresentado por um determinado
conjunto de componentes do grupo de ativos ferroviário em questão.
Urgência: indica o nível do custo de manutenção do componente em
análise.
Tendência: indica o nível de sucateamento do componente em análise.
Ao definir o que cada índice significa, é necessário quantificar cada um deles. A
tabela GUT trabalha com a quantificação dos índices com números naturais de 1 a 10,
sendo 1 o índice menos prioritário e 10 o mais prioritário. Cada um dos índices, GUT,
devem ser classificados para cada componente em análise, de acordo com as definições
descritas anteriormente. A determinação de como classificar os índices dentro dos
limites estabelecidos deve ser feita de maneira proporcional aos indicadores dos índices
GUT, ou seja: gravidade – falhas, urgência – custo de manutenção e tendência – índice
de sucateamento.
Ao ter-se classificado os índices de acordo com os indicadores estabelecidos, os
índices resultantes GUT devem ser multiplicados e o resultado encontrado é o RPN
(risk priority number – número de priorização de risco). Este número indica o grau de
criticidade do componente, variando em números naturais de 1 a 1000. O RPN 1 indica
a menor prioridade e 1000 a maior prioridade.
Para definirem-se os componentes críticos é necessário determinar um valor limite
do RPN, de maneira que os componentes que apresentarem RPN maiores que o valor
definido serão críticos. Esta definição deve ser realizada de acordo com a necessidade
do caso em estudo, sendo sugerido a correlação do RPN mínimo às metas dos
indicadores de ocorrência de falhas (gravidade), custo de manutenção (urgência) e
índice de sucateamento (tendência).
Para a manutenção de componentes de locomotivas da concessionária em questão,
os índices GUT foram quantificados em números naturais de 1 a 10, proporcionais aos
parâmetros que os definiram nos parágrafos anteriores. Ao obterem-se os índices de
cada conjunto de componentes de locomotivas, o RPN foi calculado e o resultado é
apresentado na tabela 1. Para este estudo de caso, o RPN mínimo para determinação de
componente crítico foi definido como 20, tendo em vista que, para RPN menor, os
valores dos índices atendem às metas estabelecidas pela concessionária.
Tabela 1 – RPN calculado para cada grupo de componentes recuperados de locomotivas,
baseado na tabela GUT de priorização. [4]
GRUPO DE COMPONENTE DE LOCOMOTIVA
RPN
Superalimentador EMD
54
Gerador Excitatriz / Gerador Auxiliar GE
24
Motor de Tração GE
22
Superalimentador GE
20
Compressor EMD e GE
19
Caixa Multiplicadora
18
Governador
14
Soprador
14
Ventilador
11
Conforme verificado, o motor de tração é um componente crítico de locomotiva,
que deve ter seus parâmetros de confiabilidade, custo e prazo para recuperação
controlados. Este trabalho tem por objetivo apresentar um novo método de qualificação
do isolamento elétrico de motores de tração.
2 – Modos de falha em motores de tração
A oficina de recuperação de componentes da concessionária de transporte
ferroviário em questão utiliza a metodologia FMEA (Failure Modes and Effects
Analysis – Análise dos Efeitos e dos Modos de Falhas [3]) para padronização da
identificação dos modos de falhas de componentes a recuperar. Esta metodologia é
aplicada para motores de tração, e os principais modos de falha identificados para uma
amostragem de 106 motores é apresentada na figura 1. Nela é possível perceber que dos
três principais modos de falha identificados, dois são referentes à falha no isolamento
elétrico do componente (aterrado). Estes dois modos de falha são responsáveis por
aproximadamente 50% das falhas desta amostragem de motores de tração a recuperar.
Logo, a qualificação do isolamento elétrico dos motores de tração é de fundamental
importância para a obtenção de níveis bons de confiabilidade do componente.
Modos de Falha MT
100,0%
90
75,0%
70
85,2%
100,0%
92,0%
90,0%
80,0%
68,2%
70,0%
60
Qtde
79,5%
83,0%
89,8%
56,8%
50
39,8%
40
35
60,0%
50,0%
40,0%
30
30,0%
15
20
10
10
20,0%
6
4
3
7
2
2
2
2
10,0%
OUTROS
CARCAÇA MANCAL (CAPA DO MANCAL DO
RODEIRO) SUPORTE DA GRAXEIRA (CHIFRE)
FRATURADO
PINHAO DESGASTADO (AFINADO, PERDEU
ESPESSURA)
CARCAÇA ISOLAMENTO DAS BOBINAS
(CAMPO DE COMUTAÇÃO) CABOS A/AA BAIXO
ISOLAMENTO
CARCAÇA CABOS DE SAIDA / CABOS E
BARRAS DE LIGAÇAO INTERNA FRATURADO
PORTA ESCOVAS ISOLANTE / ISOLAMENTO
BAIXO ATERRADO
ARMADURA COLETOR (LAMINAS) DANIFICADO
CARCAÇA CABOS DE SAIDA / CABOS E
BARRAS DE LIGAÇAO INTERNA ROMPIDO
CARCAÇA ISOLAMENTO DAS BOBINAS
(CAMPO DE EXCITAÇÃO) CABOS F/FF
ATERRADO
PINHÃO SOLTO/ SEM INTERFERÊNCIA
MECÂNICA (SEM MARCA NO EIXO)
0,0%
CARCAÇA ISOLAMENTO DAS BOBINAS
(CAMPO DE COMUTAÇÃO) CABOS A/AA
ATERRADO
0
Modos de Falha
Figura 1 – Modos de falha identificados em uma amostragem de motores de tração a recuperar.
3 – Isolamento em máquinas elétricas
3.1 - Modelo
O isolamento elétrico pode ser modelado como um circuito com quatro ramos
paralelos, por onde podem circular quatro correntes diferentes quando uma tensão é
aplicada, conforme figura 2. Estas correntes são as correntes de fuga pela superfície
(leakage – IL), de capacitância geométrica (Ic), de condutância (Ig) e de absorção ou
polarização (Ia). Estas correntes somadas representam a corrente total que atravessa o
isolamento (It), e estão representadas na figura 3. A relação entre a tensão aplicada e a
corrente total medida fornece a resistência do isolamento.
Figura 2 – modelo de isolamento elétrico.
% Acumulada
80
87,5%
Figura 3 – comportamento das correntes que circulam no isolamento x tempo.
No primeiro minuto, a corrente de capacitância torna-se nula, não afetando as
medidas de resistência de isolamento. Entretanto, a corrente de polarização, modelada
por um circuito resistor-capacitor, demora um tempo maior para cessar, afetando a
medição da resistência de isolamento.
As correntes de condução e fuga pela superfície variam com a umidade, sendo
constantes ao longo do tempo. Já a corrente de fuga pela superfície é a maior
responsável pela diminuição da resistência de isolamento.
3.2 – Fatores que afetam a resistência de isolamento
Os fatores que afetam a resistência de isolamento são: condição da superfície,
umidade, temperatura, valor da tensão de teste e cargas residuais presentes no
isolamento. [2]
3.2.1 - Poeiras e umidade
Poeiras ou sujeira normalmente não condutivas ou podem tornar-se condutivas e
diminuir a resistência de isolamento ao combinar-se com óleos, vapores químicos ou
mesmo umidade.
A umidade por si só já causa uma redução na resistência de isolamento (este
problema é potencializado na presença de contaminantes), uma vez que se este estiver
em uma temperatura abaixo do ponto de orvalho, um pequeno filme de umidade será
formado na superfície do isolamento. De qualquer maneira, uma boa leitura de
resistência de isolamento pode ser obtida em um bom isolamento.
Para estes dois fatores, uma limpeza seguida de secagem em estufa pode melhorar
os valores de resistência de isolamento.
3.2.2 - Temperatura
A resistência de isolamento varia inversamente com a temperatura, e de forma
exponencial. Quando a temperatura aumenta em um isolamento, aumenta o número de
portadores de carga, reduzindo drasticamente a resistência de isolamento, de modo
inverso ao observado em metais, onde o aumento da temperatura aumenta a agitação
térmica e aumenta a resistência elétrica. Ao contrário, quando a temperatura é reduzida,
diminui o número de portadores de carga e a resistência de isolamento aumenta [2].
3.2.3 - Valor da tensão
Para um bom isolamento, o valor da tensão não tem efeito na medição da
resistência de isolamento. Entretanto, para um isolamento com problemas, um aumento
na tensão de teste pode diminuir a resistência de isolamento. Uma diminuição
significativa da resistência de isolamento a medida que a tensão é aumentada significa
presença de falhas no isolamento. [2]
3.2.4 - Cargas residuais / Descarga do isolamento
Pelo fato do isolamento ter propriedades capacitivas, uma determinada energia
residual estará presente no enrolamento após a aplicação de um campo elétrico. Cargas
residuais farão com que medidas de resistência de isolamento resultem em valores
incorretos. Antes que sejam feitas medidas de resistência de isolamento, o isolamento
deve ser completamente descarregado.
A descarga dos isolamentos é essencial tanto para segurança como para exatidão
dos testes subsequentes, sendo que as cargas residuais podem durar por um tempo
indeterminado.
É importante lembrar que o teste não é conclusivo até que o isolamento esteja
descarregado e não seja detectada nenhuma tensão maior que 20 V. [2]
A descarga do isolamento também é muito importante antes dos testes de alto
potencial (AC e DC) para evitar tensões mais elevadas que as especificadas pelo teste.
Pode ocorrer que as tensões residuais sejam somadas às tensões de alto potencial
aplicadas, resultando na ruptura do isolamento devido a problemas não referentes ao
teste de alto potencial, em si. [2]
3.2.6 - Polaridade do teste
Polaridade negativa é preferida para as máquinas de teste para diminuição do efeito
de eletroendosmose, um fenômeno observado em isolamentos antigos e na presença de
umidade. Neste fenômeno, diferentes resistências de isolamento são obtidas quando a
polaridade dos fios de teste são invertidas [2].
Para isolamentos antigos e úmidos, por exemplo, a resistência de isolamento obtida
com polaridade reversa, onde o fio terra é conectado ao enrolamento e o fio negativo ao
terra da máquina é muito maior que a obtida com polaridade normal. Desta maneira,
para que os testes possam ser comparados ao longo do tempo, estes devem ser feitos
com a mesma polaridade.
3.2.7 - Regulação da fonte de tensão
Para medições de resistência de isolamento, é necessário utilizar um meghômetro
com uma fonte de tensão DC muito bem regulada, sob pena de obtenção de medidas não
significativas [2] ou com variações na medida. Isto ocorre porque a corrente total
depende de vários elementos, inclusive o elemento capacitivo do isolamento, ou seja, a
corrente total varia no tempo. Se a tensão também variar no tempo, não será possível
uma estabilização correta desta corrente e consequentemente uma estabilização da
resistência de isolamento.
Além desta regulação, o aparelho deve ser capaz de suportar correntes de pico
muito maiores do que as que está projetado para suprir continuamente. Como visto
anteriormente no modelo, as correntes iniciais em um isolamento são altas em
comparação com as correntes de regime, e portanto o aparelho deve ser capaz de
suportar estas correntes relativamente elevadas.
4 – Qualificação atual do isolamento elétrico de motores de tração
As seções seguintes apresentam os parâmetros utilizados atualmente na
concessionária para qualificar o isolamento elétrico de motores de tração.
4.1 - Teste de isolamento elétrico utilizando megôhmetro.
Com este teste obtém-se a resistência elétrica do isolamento, considerando a parcela
resistiva apresentada no modelo da figura 2.
Este teste é um bom teste para detectar presença de contaminantes superficiais
(poeiras, água, óleo, etc) que aumentam a corrente de fuga superficial. Entretanto, para
alguns tipos de isolamento (mica, por exemplo), não é capaz de detectar espaços vazios
ou falhas devido ao envelhecimento térmico, que alteram as capacidades capacitivas do
isolamento (a não ser no caso de uma falha muito grande). [2]
4.2 - Teste de alto potencial.
O objetivo dos testes de alto potencial é mais a demonstração de que o isolamento
pode suportar as condições de serviço a que será submetido do que estabelecer o valor
preciso das condições do isolamento. Serve para dizer se a máquina é capaz de suportar
surtos a que normalmente seria submetida durante sua vida útil normal [2]. São testes
potencialmente destrutivos, sendo considerados testes passa-não passa. Se não houver
uma descarga destrutiva, o enrolamento teoricamente está apto para serviço. Se houver
uma descarga destrutiva, o enrolamento deve ser reenrolado. Não deixam passar falhas
como:
• Materiais isolantes fracos.
• Furos no isolamento.
• Isolamento prensado.
Existem dois tipos de testes: o teste de alto potencial AC e o de alto potencial DC.
Dada a natureza do teste AC (tensão alternada) e do isolamento, modelado como
um capacitor em paralelo com uma resistência de fuga, ao se aplicar uma tensão
alternada no mesmo será gerada uma corrente que terá relação com a impedância do
circuito (corrente total). Já o teste DC terá relação somente com a resistência de fuga.
Quando o isolamento se rompe pela aplicação da alta tensão, a corrente de fuga é que
aumenta. A corrente de fuga, portanto, é que nos diz se o isolamento está apto ou não
para serviço. A corrente reativa não é examinada no teste.
5 – Proposta de utilização de medidor de fator de potência para qualificação do
isolamento elétrico
5.1 – Teste do ângulo de fase do isolamento ou fator de potência
A medição atual da resistência elétrica do isolamento com o megôhmetro fornece a
parcela resistiva do isolamento (representado pelos resistores na figura 2). Porém a
parcela capacitiva não é medida. O teste de fator de potência é utilizado para auxiliar no
valor desta medida capacitiva, que indica a qualidade do isolamento, podendo ser
vinculada ao “tempo de vida” que o isolamento do componente possui (fazendo análises
de valores de resistência capacitiva x tempo de falha).
Este teste permite analisar e avaliar o comportamento das condições físicas do
enrolamento. Uma mudança na capacitância do isolamento pode ocorrer devido ao
envelhecimento natural, envelhecimento térmico ou outros contaminantes tais como
umidade ou poeira [2]. A figura 4 apresenta o modelo elétrico que apresenta a parcela
capacitiva do isolamento.
Pequenas mudanças na capacitância do sistema de isolamento resultam em
mudanças significativas do ângulo de fase [2]. Como ferramenta de manutenção, a
utilidade do teste do ângulo de fase do isolamento está no acompanhamento ao longo do
tempo. Caso haja um aumento do fator de potência em relação ao nível normal, é
provável que haja algum início de falha, como descrito anteriormente.
Cp é a capacitância paralela.
G é a condutância equivalente.
Rp é o resistor equivalente do circuito paralelo.
XP é a reatância paralela.
W é 2 f (para uma fonte senoidal).
é o ângulo de fase.
é o ângulo de perda.
Figura 4 – Modelo do isolamento elétrico.
5.2 – Equipamento a ser utilizado
Foi verificado no mercado um fornecedor de equipamento para execução do teste
de ângulo de fase ou fator de potência. A figura 5 mostra o equipamento selecionado.
Figura 5 – Equipamento para teste do ângulo de fase ou fator de potência. .
5.3 – Medições que estão sendo realizadas
No equipamento descrito na seção anterior são medidas a corrente de fuga, a perda
wattimétrica e a capacitância do isolamento elétrico. Para carcaças de motores de tração,
estes parâmetros são medidos para o campo de excitação e para o campo de comutação
(cabos AA e FF). Já para as armaduras as medidas destes parâmetros são únicas, curtocircuitando o comutador. A tabela 2 apresenta valores medidos em carcaças e armaduras
de motores de tração.
ITEM
DATA DO TESTE
N° DE SÉRIE
DA CARCAÇA
1
20/4/2010
96G12123
2
8/4/2010
213367
MODELO
CLASSE
DA CARCAÇA
D87
AF15
D
B
CAMPO /
CABO
CORRENTE DE FUGA(mA) PERDA WATTIMÉTRICA(W)
E MULTIPLICADOR
E MULTIPLICADOR
CAPACITÂNCIA(pF) E
MULTIPLICADOR
FATOR DE
POTÊNCIA(%)
FF
48,4
81,2
13200
16,78
AA
35,8
56,4
8780
15,75
A
-
-
-
-
FF
43
9,16
11520
2,13
AA
40,6
12,3
10900
3,03
A
-
-
-
-
Tabela 2.1 – valores medidos em carcaças.
ITEM
DATA DO TESTE
N° SÉRIE
DO MOTOR
N° DE SÉRIE
DA ARMADURA
MODELO
DA ARMADURA
CORRENTE DE FUGA(mA) PERDA WATTIMÉTRICA(W)
E MULTIPLICADOR
E MULTIPLICADOR
1
30/3/2010
96G12123
96F34174
D87
289
2
19/4/2010
7489981
2724847
E8A
277
CAPACITÂNCIA(pF) E
MULTIPLICADOR
FATOR DE
POTÊNCIA(%)
179
78,6
6,19
153
74200
5,52
Tabela 2.2 – valores medidos em armaduras.
O fator de potência do isolamento é calculado utilizando a equação 1, onde “w”
é a perda wattimétrica, e “mA” é a corrente de fuga.
FP% = (W x 10) / mA.
Equação 1
6 – Resultados
Esta seção tem por objetivo apresentar os resultados resumidos obtidos até então,
das medições no teste de ângulo de fase realizadas nos diversos modelos de motores de
tração utilizados pela concessionária. O resultado final obtido são valores médios de
capacitância e fator de potência do isolamento de armaduras e carcaças (campos AA e
FF) de motores de tração, qualificados para operação.
6.1 – Armadura
6.1.1 – Capacitância
EMPRESA RESPONSÁVEL PELA RECUP. EXTERNA (Tudo)
Capacitância (pF) MULTIPLICADOR
200.000
180.000
160.000
140.000
MODELO
DA ARMADURA
761
120.000
AF15
AH30
100.000
D77
80.000
D87
E8A
60.000
40.000
20.000
N
S
Impregnação
Recuperação externa
6.1.2 – Fator de potência
Fator de potência (%)
10,00
9,00
8,00
7,00
MODELO
DA ARMADURA
761
6,00
AF15
AH30
5,00
D77
4,00
D87
E8A
3,00
2,00
1,00
0,00
N
S
Recuperação externa EXTERNA - (S/N)
Impregnação
6.2 – Carcaça
6.2.1 – Capacitância
Campo AA.
CAMPO / AA
CABO
Capacitância (pF)
18000
16000
14000
MODELO
DA CARCAÇA
752
12000
761
D87
10000
AF15
AH30
8000
D77
D87
6000
E8A
4000
2000
0
N
S
Recuperação externa
Campo FF
CAMPO / FF
CABO
Capacitância (pF)
18000
16000
14000
MODELO
DA CARCAÇA
752
12000
761
D87
10000
AF15
AH30
8000
D77
D87
6000
E8A
4000
2000
0
N
S
Recuperação externa
6.2.2 – Fator de potência
Campo AA
CAMPO / CABO
AA
Fat or de pot ência (%) POTÊNCIA(%)
18
16
14
MODELO DA CARCAÇA
752
12
761
10
D87
AF15
8
AH30
D77
6
D87
E8A
4
2
0
N
Recuperação ext erna
S
Campo FF
CAMPO / FF
CABO
Fator de potência (%) POTÊNCIA(%)
18
16
14
MODELO
DA CARCAÇA
752
12
761
D87
10
AF15
AH30
8
D77
D87
6
E8A
4
2
0
N
S
Recuperação externa
7 – Conclusão
Com os resultados apresentados na seção 6, é possível obter a ordem de grandeza
dos parâmetros de capacitância e fator de potência para a qualificação do isolamento
dos diversos tipos de subcomponentes de motores de tração testados, sendo possível
verificar que quanto menor o valor da capacitância e do fator de potência, melhor a
condição do isolamento elétrico. Isto por que, nos gráficos apresentados, o eixo “x”
apresenta os seguintes itens: “N” – subcomponente não recuperado externamente
(reenrolamento e reisolamento), pior condição de isolamento; “S” – subcomponente
recuperado externamente (reenrolamento e reisolamento), melhor condição de
isolamento e “Impregnação” – subcomponente impregnado externamente, condição
intermediária de isolamento.
O próximo passo deste trabalho é a verificação da correlação entre estes valores
médios dos parâmetros de capacitância e fator de potência levantados até aqui e a vida
atingida destes componentes, sendo possível identificar os valores ótimos destes
parâmetros, tendo em vista os níveis de falhas admissíveis para os motores de tração.
8 – Referências Bibliográficas
1. VALLE, J. A. 40 Ferramentas e Técnicas de Gerenciamento. Merhi Daychoum,
Brasport, 3ª Edição. Rio de Janeiro, 2007.
2. COSTA, A. S. de L.; CARDOSO, B. de J.; LYRA R. de O. da C. Estudo Técnico
quanto à Manutenção / Operação de Geradores Elétricos de Corrente Continua
Utilizados em Locomotivas (Excitatriz e Gerador Auxiliar). UFMG. 2008.
3. HELMAN, H. e ANDREY, P. R. P. Análise de Falhas: Aplicação dos Métodos de
FMEA e FTA. Fundação Christiano Ottoni. Belo Horizonte. 1995.
4. ROCHA, M. E de O. Aplicação da Engenharia de Confiabilidade na Manutenção de
Componentes de Locomotivas. Dissertação de Mestrado em Engenharia de
Transportes, IME. Rio de Janeiro, 2009.