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PRIMERAS JORNADAS DE GESTION DE ACTIVOS & EFICIENCIAPRIMERAS JORNADAS DE GESTION DE ACTIVOS & EFICIENCIAENERGETICAENERGETICA

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LEAP –Life ExpectancyAnalysis Program

“Herramienta para validación de condición y cálculo de vida

útil de sistemas de aislamiento de máquinas eléctricas rotativas”

MarcioMarcio GennariGennari ––ABBABB BrasilBrasil

Automation Products DivisionAutomation Products Division Machines ServiceMachines Service

EEmail.:mail.: [email protected]@br.abb.com

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LEAPLEAP IntroduIntroduççãoão§§ A ABBA ABB ÍÍndia (centro de excelênciandia (centro de excelência ––estudos de sistema de isolaestudos de sistema de isolaçção) com mais de 40 anosão) com mais de 40 anos

de experiência em servide experiência em serviçços e fabricaos e fabricaçção de Mão de Mááquinas Elquinas Eléétricas Rotativas, desenvolveu etricas Rotativas, desenvolveu epatenteou testes inovadores para estudo da verdadeira condipatenteou testes inovadores para estudo da verdadeira condiçção fão fíísica do sistema desica do sistema deisolaisolaçção do estator.ão do estator.

§§ LEAP is aLEAP is a pacote de testes especiaispacote de testes especiais capaz de identificar mecanismos de falhas nocapaz de identificar mecanismos de falhas nosistema de isolasistema de isolaçção do estator de Motores e Geradores (AC / DC) visando atingir aão do estator de Motores e Geradores (AC / DC) visando atingir assim assim aMMááxima Confiabilidade Operacional.xima Confiabilidade Operacional.

LEAPLEAP éé um sistema de Gerenciamento da Manutenum sistema de Gerenciamento da Manutençção e Vida do Equipamento.ão e Vida do Equipamento.

ContaminaContaminaçção / acão / acúúmulo de cargasmulo de cargas Folga das bobinas / cunhas nas ranhurasFolga das bobinas / cunhas nas ranhuras Vazios dentro da isolaVazios dentro da isolaçção principalão principal Atividade de Descargas ParciaisAtividade de Descargas Parciais Envelhecimento / degradaEnvelhecimento / degradaçção do material isolanteão do material isolante CCáálculo da vida remanescente sistema de isolalculo da vida remanescente sistema de isolaççãoão Planejamento das aPlanejamento das açções de manutenões de manutenççãoão

§§ ““Impressão DigitalImpressão Digital””do sistema de isolado sistema de isolaçção do estator:ão do estator:

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LEAPLEAP ––Curva de vida do equipamentoCurva de vida do equipamento

Esforços Térmicos, Elétricos, Ambientais e Mecânicos(TEAM) atuam nos materiais e componentes da máquinaelétrica, favorecendo o processo de degradação (curvaazul pela redução da resistência com o tempo. Quando osesforços Operacionais –transientes e constantes nacurva vermelha, excedem a resistência, a falha éeminente, LEAP calcula e traça a curva de vida doequipamento.

O que torna o ensaio LEAP especial,O que torna o ensaio LEAP especial, éé a capacidade de relacionar os problemasa capacidade de relacionar os problemasdesenvolvidos na mdesenvolvidos na mááquina com a expectativa de vida do equipamento, e assimquina com a expectativa de vida do equipamento, e assimtemos uma integratemos uma integraçção em um plano de manutenão em um plano de manutençção.ão.

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LEAPLEAP ––MMááquinas Ensaiadasquinas Ensaiadas§§ AgostoAgosto 20022002 ––JulhoJulho 20082008 710710 MMááquinasquinas ElEléétricastricas RotativasRotativas

Turbo Geradores –Motores Síncronos –Motores de Indução

Motores de Anéis –Hidro Geradores Máquinas CC

Potência 300 kW a 250.000 kW

**BrasilBrasil, Colombia, Chile,, Colombia, Chile, UruguaiUruguai, Argentina e, Argentina e tambtambéémm EUAEUA

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PESQUISA IEEE E EPRI

FALHAS EM MOTORES EGERADORES

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33%

6% 5% 5% 3%11%

37%

10%7%4%2%

8%8%

61%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Bearin

g

Stator W

inding

Shaft/C

oupling

Rotor

Extern

al Dev

ices

Brush

es/Slip

ring

Unspec

ified

Falha durante operação

Início da falha identificado através de inspeção / testes tradicionais

EstatEstatíísticas de Falhas IEEE e EPRIsticas de Falhas IEEE e EPRIClic

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Mancal / eixo / acoplamentoMancal / eixo / acoplamento

Enrolamento do rotorEnrolamento do rotor

NNúúcleo do estator (lâminas)cleo do estator (lâminas)

Enrolamento do estatorEnrolamento do estator

Outros (diodos, sistema de excitaOutros (diodos, sistema de excitaçção etc.)ão etc.)

Fonte:Fonte: AllianzAllianz InsuranceInsurance,, GermanyGermany (1996(19961999), VDE1999), VDE ColloquiumColloquium,, JuneJune 28, 200128, 2001

EstatEstatíísticas de Falhas Seguradorasticas de Falhas SeguradoraClic

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§§ As falhas nos mancais são freqAs falhas nos mancais são freqüüentesentes

§§ Enrolamentos tambEnrolamentos tambéém dividem uma taxa significante de falhasm dividem uma taxa significante de falhas

§§ Poucas falhas nos enrolamentos são detectadas atravPoucas falhas nos enrolamentos são detectadas atravéés des deinspeinspeçções ou ensaios tradicionais (apenas 8.3%)ões ou ensaios tradicionais (apenas 8.3%)

Isso indica deficiência nos testes tradicionais para detectarIsso indica deficiência nos testes tradicionais para detectarproblemas nos enrolamentos do estator e assim atingirproblemas nos enrolamentos do estator e assim atingir

Confiabilidade Operacional na MConfiabilidade Operacional na Mááquina.quina.

Conclusões das PesquisasConclusões das PesquisasClic

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§§ MICA: material usado paraMICA: material usado para minizarminizar as descargas parciaisas descargas parciais§§ VVáários processos aplicados durante fabricarios processos aplicados durante fabricaçção da bobina:ão da bobina:

–– Resina (ou fitas prResina (ou fitas prééimpregnadas)impregnadas)–– VPI, VPI global (Processo de ImpregnaVPI, VPI global (Processo de Impregnaçção a vão a váácuo)cuo)–– MMááquinas antigas: trincas na micas, asfaltoquinas antigas: trincas na micas, asfalto

Todos os materiais e estrutura são submetidos a esforTodos os materiais e estrutura são submetidos a esforçços e envelhecimento !!os e envelhecimento !!

Mais um motivo que explica aMais um motivo que explica anecessidade de Tnecessidade de Téécnicas decnicas deDiagnDiagnóóstico precisas !stico precisas !!!!!

Sistema de IsolaSistema de Isolaçção: Estrutura Complexaão: Estrutura ComplexaClic

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ANTES DE CONHECERMOSOS ENSAIOS DEDIAGNÓSTICO

VAMOS ENTENDER OSMECANISMOS DE FALHAS NO

SISTEMA DE ISOLAÇÃO

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ManifestaManifestaçção das falhasão das falhas

DelaminaDelaminaçção / deterioraão / deterioraçção da isolaão da isolaççãoão

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Descargas Parciais nas ranhurasDescargas Parciais nas ranhuras/ sistema de al/ sistema de alíívio de tensãovio de tensão

Dano em funDano em funçção de folga excessiva daão de folga excessiva dabobina e atrito da bobina com o nbobina e atrito da bobina com o núúcleocleo(cunhas folgadas)(cunhas folgadas)

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ContaminaContaminaççãoão

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FolgaFolga dasdas bobinasbobinas // cunhascunhas nasnasranhurasranhuras

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Onde o problema estOnde o problema estáá localizado ?localizado ?

LEAP indica qual componente da MLEAP indica qual componente da Mááquina necessita de manutenquina necessita de manutenççãoão§§ Limpeza nas regiões de cabeLimpeza nas regiões de cabeçças de bobinas ou ranhurasas de bobinas ou ranhuras

§§ ReRecunhagem do estator (cliente pode planejar aquisicunhagem do estator (cliente pode planejar aquisiçção de cunhas sobressalentes)ão de cunhas sobressalentes)

§§ Atividades de reparos parciais nas saAtividades de reparos parciais nas saíídas de ranhura / reparo no sistema de aldas de ranhura / reparo no sistema de alíívio de tensãovio de tensão

§§ Indica quando a isolaIndica quando a isolaçção atingiu não atingiu nííveis crveis crííticos de envelhecimento (e assim quando se faz necessticos de envelhecimento (e assim quando se faz necessáário ario arebobinagem / aquisirebobinagem / aquisiçção de bobinas reservas)ão de bobinas reservas)

§§ LEAP tambLEAP tambéémm éé indicado para mindicado para mááquina novas (detectar possquina novas (detectar possííveis problemas durante o processo de fabricaveis problemas durante o processo de fabricaçção)ão)

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LEAP Pacote de TestesLEAP Pacote de Testes

§§ LEAP StandardLEAP Standard

1) Ensaios de DC Absorption1) Ensaios de DC Absorption

2) An2) Anáálise de Capacitância e Tan Deltalise de Capacitância e Tan Delta

3) An3) Anáálise de Descargas Parciaislise de Descargas Parciais

4) An4) Anáálise de Corrente Não Linearlise de Corrente Não Linear

ContaminaContaminaçção / acão / acúúmulo de cargasmulo de cargas Folga bobinas / cunhas ranhurasFolga bobinas / cunhas ranhuras Vazios na isolaVazios na isolaçção principalão principal Descargas ParciaisDescargas Parciais Envelhecimento/degradaEnvelhecimento/degradaçção isolaão isolaççãoão CCáálculo da vidalculo da vida úútiltil Planejamento aPlanejamento açções de manutenões de manutenççãoão

§§ LEAPLEAP ThermalThermal LifeLife Horas operacionais.Horas operacionais. NNúúmero de partida / paradasmero de partida / paradas Temperatura dos enrolamentos estator (Curva Arrhenius)Temperatura dos enrolamentos estator (Curva Arrhenius)

§§ LEAP Elementos FinitosLEAP Elementos Finitos AnAnáálise dos esforlise dos esforççosos

Exemplo de RelatExemplo de Relatóóriorio

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Caso estudadoCaso estudado 11

§§ Agosto 2004Agosto 2004 ––Cliente GeraCliente Geraçção de energiaão de energia

Turbo Gerador HITACHI 75 MWTurbo Gerador HITACHI 75 MW

EmEm AprilApril 2003 a ABB realizou o ensaio LEAP, e o relat2003 a ABB realizou o ensaio LEAP, e o relatóóriorioapresentou alguns riscos na mapresentou alguns riscos na mááquina em funquina em funçção de grandeão de grandequantia de contaminaquantia de contaminaçção nas cabeão nas cabeçças de bobinas eas de bobinas eranhuras, pois osranhuras, pois os contaminantescontaminantes estavam bloqueando osestavam bloqueando oscontaminantescontaminantes estavam bloqueando os dutos de ventilaestavam bloqueando os dutos de ventilaçção eão eosos contaminantescontaminantes eram condutivos. Em funeram condutivos. Em funçção de termosão de termosidentificado contaminaidentificado contaminaçção nas ranhuras, era necessão nas ranhuras, era necessáário ario aremoremoçção do rotor. As cunhas do estator estavam em boasão do rotor. As cunhas do estator estavam em boascondicondiçções, assim não era necessões, assim não era necessáário adquirir novas cunhas.rio adquirir novas cunhas.

Mesmo com a condição do Gerador, o laudo deDiagnóstico informou que a máquina poderia operar pormais 1 ano, porém após o período de 1 ano, a máquinadeveria passar pelo rejuvenescimento completo.

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§§ June 2005June 2005 ––LEAP On BoardLEAP On Board ––Oil Rig PlatformOil Rig Platform

03 BBC Synchronous Generators 12.5 MVA03 BBC Synchronous Generators 12.5 MVA ––13.8 kV13.8 kV

LEAP ReportLEAP Report:: High amount of contamination in windings (also spread in slotHigh amount of contamination in windings (also spread in slotsections), oil contaminants ingress in insulation system, overhasections), oil contaminants ingress in insulation system, overhauling within 1uling within 1year (cyclic cleaning in workshop), insulation not aged, wedgesyear (cyclic cleaning in workshop), insulation not aged, wedges / coils tight in/ coils tight inslots, high surface PD due carbonized oil.slots, high surface PD due carbonized oil.

CustomerCustomer’’s actions action:: Decided to send the 03 machines to ABB WorkshopDecided to send the 03 machines to ABB WorkshopOsasco (1 machine each 4 months) to perform Major overhauling, iOsasco (1 machine each 4 months) to perform Major overhauling, includingncludingrotor inspections, rewinding rotor poles, replacing rotor coil srotor inspections, rewinding rotor poles, replacing rotor coil supports andupports andimplementations of new labyrinth seals system (to avoid furtherimplementations of new labyrinth seals system (to avoid further ingress ofingress ofoil in endwindings).oil in endwindings).

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§§ April 2006April 2006 ABB Field Team removing 01 Machine and ship to ABBABB Field Team removing 01 Machine and ship to ABB OsascoOsasco WorkshopWorkshop

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§§ April 2006April 2006 ––Machine in ABBMachine in ABB OsascoOsasco WorkshopWorkshop

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§§ March 2006March 2006 –– Oil Refinery CustomerOil Refinery Customer BBC Generator 12.5 MVABBC Generator 12.5 MVA

March 10, 2006March 10, 2006 Flash over in V / W phase terminal, customer called ABB toFlash over in V / W phase terminal, customer called ABB toevaluate insulation stator condition (after stresses) and checkevaluate insulation stator condition (after stresses) and check if machineif machinecould be put in operation.could be put in operation.

March 12, 2006March 12, 2006 ––LEAP Data Collection (Report sent in March 15,2006)LEAP Data Collection (Report sent in March 15,2006)

V phase shows inherent weakness and it is likely stressed. EitheV phase shows inherent weakness and it is likely stressed. Either the levelr the levelof contamination is high or the insulation strength has weakenedof contamination is high or the insulation strength has weakened slightlyslightlyfor this phase.for this phase.

The nonThe nonlinear patterns for V and W phases are very similar and differenlinear patterns for V and W phases are very similar and differenttfrom other phases. The patterns show a general even harmonicfrom other phases. The patterns show a general even harmonicdominance but the 15th harmonic componentdominance but the 15th harmonic component

Expected degradation due to overheating in between V and W phaseExpected degradation due to overheating in between V and W phases.s.Also some residual effects are suspected at the terminations (slAlso some residual effects are suspected at the terminations (slot exits)ot exits)

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§§ LEAP Report Recommendations:LEAP Report Recommendations:

The results indicate that the unit is contaminated to a significThe results indicate that the unit is contaminated to a significant extent along the endwindings with oil/carbonizedant extent along the endwindings with oil/carbonizedoil and dust type contaminants.oil and dust type contaminants.Also the flash has possible resulted in additional thermal stresAlso the flash has possible resulted in additional thermal stresses particularly in V and W phases.ses particularly in V and W phases.

It is recommended to open up the machine for overhauling (at earIt is recommended to open up the machine for overhauling (at earliest)liest) ––is not advisable operation of theis not advisable operation of theunitunit..

The main areas of maintenance are as under:The main areas of maintenance are as under:Carry out the thorough cleaning of the machine especially alongCarry out the thorough cleaning of the machine especially along the endwinding areas followed by drythe endwinding areas followed by dryoutoutThe slot exits portions need to be inspected for presence of conThe slot exits portions need to be inspected for presence of contaminants at the terminations and overheatingtaminants at the terminations and overheatingmarks and insulation degradation or burning.marks and insulation degradation or burning.The corresponding reThe corresponding retaping of the leads to the bushings may be correspondingly repaitaping of the leads to the bushings may be correspondingly repairedred..

Even with information regarding the machine conditions customerEven with information regarding the machine conditions customer decided to put thedecided to put themachine in operation............machine in operation............

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§§ Only 4 days of operationOnly 4 days of operation… … … … …… … … … … (failure in V/W phase):(failure in V/W phase):

Customer ship the machine to ABB Osasco WorkshopCustomer ship the machine to ABB Osasco Workshop… …… …

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§§ Machine in WorkshopMachine in Workshop OsascoOsasco::

§ Rotor balancingRotor balancing§§ Installation and commissioning (Sept. 2006)Installation and commissioning (Sept. 2006)

§ Stator rewindingStator rewinding§§Rotor rewinding (catastrophic failure)Rotor rewinding (catastrophic failure)

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§§ MelhoriaMelhoria no Plano deno Plano de ManutenManutenççãoão dede MMááquinasquinas ElEléétricastricas,, mudandomudando dede manutenmanutenççãoãobaseadabaseada no tempono tempo parapara manutenmanutenççãoão baseadabaseada nana condicondiççãoão..

§§ FavoreceFavorece ee criacria oportunidadesoportunidades parapara extender aextender a vidavida dede mmááquinasquinas,, aumentandoaumentando aadisponibilidadedisponibilidade dada mmááquinaquina favorecendofavorecendo maiormaior retornoretorno nono investimentoinvestimento..

§§ FacilitaFacilita aa tomadatomada dede decisãodecisão: A: A ocasiãoocasião de umde um úúniconico ensaioensaio éé suficientesuficiente parapara dardarinformainformaççõesões sobresobre planosplanos dede manutenmanutenççõesões aa curtocurto // longolongo prazoprazo,, decisõesdecisões dede repartoreparto ouou atatéémesmomesmo dede partidapartida..§§ FocoFoco nana manutenmanutenççãoão essencialessencial ee emem mmááquinasquinas queque estãoestão maismais vulnervulnerááveisveis,, reduzindoreduzindo o tempo deo tempo deparadaparada ee tambtambéémm osos riscosriscos dede operaoperaççãoão

LEAP: Um proposta de valorLEAP: Um proposta de valorClic

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