Quais são as Características dos Mecanismos de Falha e as Medidas Preventivas dos Capacitores de Energia?
1 Mecanismos de Falha dos Capacitores de Potência
Um capacitor de potência consiste principalmente em uma carcaça, núcleo do capacitor, meio isolante e estrutura de terminais. A carcaça é geralmente feita de aço fino ou aço inoxidável, com encaixes soldados na tampa. O núcleo do capacitor é enrolado a partir de filme de polipropileno e folha de alumínio (elétrodos), e o interior da carcaça é preenchido com um dielétrico líquido para isolamento e dissipação de calor.
Como um dispositivo totalmente selado, os tipos de falhas comuns nos capacitores de potência incluem:
Falha interna do elemento do capacitor;
Queima de fusíveis;
Falhas de curto-circuito interno;
Falhas de descarga externa.
As falhas internas são mais destrutivas para o corpo do capacitor e, uma vez ocorridas, geralmente não podem ser reparadas no local, afetando significativamente a eficiência de utilização do equipamento.
1.1 Falha Interna do Elemento do Capacitor
A falha do elemento do capacitor é principalmente causada por fatores como envelhecimento do dielétrico, entrada de umidade, defeitos de fabricação e condições operacionais severas. Se o elemento não tiver um fusível interno, a falha de um único elemento fará com que seus pares conectados em paralelo sejam curto-circuitados, removendo-os da divisão de tensão. Isso aumenta a tensão de operação nos elementos restantes conectados em série. Sem o isolamento oportuno da falha, isso representa riscos graves de segurança e pode levar a falhas catastróficas.O uso de fusíveis internos permite o isolamento eficaz e imediato dos elementos com falhas, melhorando a segurança operacional.
A falha do capacitor pode ser classificada em três tipos: falha elétrica, falha térmica e falha por descarga parcial.
Falha Elétrica: Causada por sobretensão ou harmônicas, levando a um campo elétrico excessivamente alto através do dielétrico, resultando em falha de isolamento em pontos defeituosos. É caracterizada por duração curta e alta intensidade de campo. A resistência à quebra está fortemente relacionada à uniformidade do campo, mas é menos sensível à temperatura e à duração da tensão.
Falha Térmica: Ocorre quando a geração de calor excede a dissipação, causando um aumento contínuo de temperatura no dielétrico, levando à degradação do material e, eventualmente, à falha de isolamento. Geralmente acontece durante a operação em estado estacionário, com tensão de quebra relativamente baixa e tempo de aplicação da tensão mais longo em comparação com a falha elétrica.
Falha por Descarga Parcial: Resulta de campos elétricos locais altos dentro do dielétrico, superando a resistência à quebra de regiões de baixa permissividade, como líquidos, gases ou impurezas. Isso inicia descargas parciais que gradualmente degradam o desempenho do isolamento, evoluindo eventualmente para uma quebra completa entre os elétrodos. O processo é progressivo, desenvolvendo-se de descargas não penetrantes até a falha total do isolamento.
1.2 Queima de Fusíveis
A proteção por fusível é uma das medidas de proteção mais comuns para capacitores de potência e desempenha um papel vital na operação segura e estável dos sistemas de compensação. É categorizada em proteção por fusível externo e interno.
Proteção por Fusível Externo: Quando um elemento interno do capacitor falha, a corrente de falha através do capacitor e do fusível externo aumenta. Uma vez que a corrente atinge o limite de fusão nominal do fusível, o fusível aquece, rompe o equilíbrio térmico e derrete, desconectando o capacitor com falha para evitar a escalada da falha.
Proteção por Fusível Interno: Na falha do elemento, os elementos paralelos descarregam no elemento com falha, gerando uma corrente transitória de alta amplitude e rápida decadência. A energia desta corrente derrete o fusível interno conectado em série, isolando o elemento com falha e permitindo que o resto do capacitor continue operando.
Na prática, a seleção inadequada do fusível ou o contato ruim nos terminais podem causar a queima anormal do fusível durante a operação normal, removendo erroneamente capacitores saudáveis e reduzindo a potência reativa de saída.
Se os fusíveis internos forem mal dimensionados e não conseguirem isolar as falhas prontamente, a falha pode piorar, potencialmente levando à explosão ou incêndio do capacitor.
1.3 Falhas de Curto-Circuito Interno
As falhas de curto-circuito interno nos capacitores de potência incluem principalmente curtos entre o elétrodo vivo e a carcaça e curtos entre elétrodos. Estas são primariamente causadas pelo envelhecimento do dielétrico ao longo do tempo, entrada de umidade interna, estresse de sobretensão ou defeitos de isolamento inerentes aos processos de design ou fabricação, todos os quais podem levar a falhas de isolamento do tipo perfurante e curtos internos.
1.4 Falhas de Descarga Externa
As falhas de descarga externa referem-se a falhas que ocorrem fora do corpo do capacitor, causadas por fatores externos, como flashover na superfície do encaixe, perfuração do encaixe, curtos entre fases ou entre fase e terra, ou rachaduras nos encaixes de porcelana devido a estresse mecânico. Essas falhas têm causas diversas, mas ocorrem na circuitaria externa. Geralmente podem ser detectadas e mitigadas a tempo através de ações de proteção por relés, inspeções rotineiras ou testes offline. Sua probabilidade de ocorrência e gravidade são menores do que as falhas internas, mas ainda assim merecem atenção suficiente.
2 Características e Causas Comuns de Falhas nos Capacitores de Potência
2.1 Vazamento de Óleo do Corpo do Capacitor
Como um dispositivo totalmente selado, de alta intensidade de campo e alta corrente, o vazamento de óleo em um capacitor de potência não apenas reduz o nível de isolamento devido à diminuição do nível de óleo, mas também permite a entrada de umidade devido à diminuição da pressão interna. Isso leva à umidade do isolamento, redução da resistência de isolamento e, eventualmente, à falha do elemento interno ou até mesmo à explosão.
As principais causas de vazamento de óleo incluem: soldagem inadequada, resultando em vedação insuficiente; juntas envelhecidas ou sob estresse desigual; danos mecânicos durante o transporte ou instalação; manutenção inadequada, causando corrosão da carcaça; e estresse mecânico danificando os selos dos encaixes.
2.2 Deformação da Carcaça do Capacitor
Sob condições normais de operação, uma pequena expansão ou contração da carcaça do capacitor devido a variações de temperatura e tensão é aceitável. No entanto, quando a intensidade do campo elétrico interno é excessiva, causando descargas parciais ou curtos, o dielétrico se decompondo e gera grandes quantidades de gás. Isso aumenta a pressão interna na câmara selada, levando ao inchaço ou deformação da carcaça.
Uma vez que ocorra uma deformação grave, a reparação no local geralmente é impossível e a substituição é necessária. A deformação da carcaça não só agrava a deterioração do isolamento interno, mas também pode danificar a estrutura elétrica, alterando as distâncias de isolamento originais. Em casos graves, pode causar a fratura do encaixe (veja Fig. 1), potencialmente levando a explosão ou incêndio.
A deformação da carcaça é principalmente causada por problemas de qualidade do produto, como: qualidade ruim do material do elétrodo ou do dielétrico; uso de óleo isolante não absorvente de gás; ambiente de fabricação ou processos subpadrões; resíduos de impurezas durante a produção; busca excessiva por métricas de desempenho específicas; ou material da carcaça muito fino.
2.3 Aumento Anormal de Temperatura nos Capacitores
Um aumento anormal de temperatura em capacitores de potência leva a uma temperatura corporal excessiva, acelerando o envelhecimento térmico do dielétrico interno, reduzindo sua resistência de isolamento e podendo até mesmo desencadear descargas parciais. A vida útil dos capacitores de potência geralmente segue a "regra dos 8°C": para cada aumento de 8°C acima da temperatura de operação permitida pelo projeto, a expectativa de vida é aproximadamente metade.
O aumento anormal de temperatura é principalmente causado por ventilação inadequada ou condições de sobrecorrente prolongada. Exemplos incluem: layout espacial irracional do compartimento do capacitor ou posicionamento inadequado de equipamentos de ventilação, resultando em dissipação de calor insuficiente; aumento de aquecimento devido à operação com sobretensão, causando sobrecorrente; e correntes harmônicas geradas por unidades retificadoras que também contribuem para o superaquecimento do capacitor. Além disso, o envelhecimento do dielétrico, a entrada de umidade ou falhas internas nos componentes podem aumentar as perdas de potência, exacerbando ainda mais o aumento de temperatura.
2.4 Descarga de Flashover Superficial nos Encaixes do Capacitor
Os componentes nas instalações de capacitores de potência são geralmente dispostos de forma compacta. Durante a operação, o ambiente circundante apresenta alta temperatura e intensidade de campo elétrico, facilitando a adsorção de partículas carregadas. Isso leva à acumulação de contaminação na superfície dos encaixes, aumentando a corrente de fuga superficial. Sob a influência combinada de harmônicas do sistema e tensão, pode ocorrer arco localizado na porcelana do encaixe. Quando a contaminação acumulada atinge um nível crítico, pode resultar em descarga de flashover superficial, acompanhada de ruído anormal. Em casos graves, isso pode levar a curtos entre fases e terra externos.
2.5 Ruído Anormal dos Capacitores
Os capacitores de potência são dispositivos de compensação reativa estática sem partes móveis ou componentes de excitação eletromagnética. Em operação normal, eles não devem produzir som audível. Se ocorrer ruído anormal durante a operação, isso pode indicar descarga parcial de alta energia dentro do capacitor, e o equipamento deve ser imediatamente desenergizado para inspeção.
2.6 Ruptura do Capacitor
A ruptura do capacitor é uma falha grave com consequências significativas. Geralmente ocorre quando um elemento interno do capacitor sofre falha de isolamento entre elétrodos ou entre o elétrodo e a carcaça, resultando em um curto-circuito de falha total. Outros capacitores operando em paralelo então recarregarão e descarregarão rapidamente no unidade com falha. Se a energia injetada exceder a resistência mecânica da carcaça, o capacitor pode romper e ejetar óleo, potencialmente causando incêndio, ameaçando a segurança de toda a subestação e, possivelmente, levando a lesões ou mortes de pessoal.
Um incidente de ruptura em cascata envolvendo todo um banco de capacitores é mostrado na Figura 2, desencadeado pela falha do elemento interno do capacitor; a condição detalhada do elemento com falha é ilustrada na Figura 3.
2.7 Superaquecimento dos Terminais de Conexão do Banco de Capacitores
Uma vez energizados, os bancos de capacitores operam sob carga total com correntes de circuito elevadas. Se as conexões internas apresentarem contato ruim, práticas de design ou instalação inadequadas, ou manutenção insuficiente, pode ocorrer superaquecimento local nos pontos de conexão. O superaquecimento prolongado pode levar ao acúmulo excessivo de energia térmica, potencialmente causando a fusão dos condutores de conexão. As falhas de superaquecimento nos terminais dos bancos de capacitores são relativamente comuns; a condição de uma conexão fundida é mostrada na Figura 4.
3 Medidas Preventivas Contra Acidentes
3.1 Garantir a Qualidade na Fabricação e Comissionamento do Equipamento
A operação segura dos capacitores de potência depende da qualidade da fabricação e do comissionamento do equipamento. Durante a produção, é essencial seguir rigorosamente os fluxos de processo, usar matérias-primas e equipamentos de produção qualificados e reforçar a supervisão de qualidade ao longo do processo. Inspeções rigorosas de fábrica garantem a qualidade do produto. As instalações no local devem ser razoavelmente "faseadas e agrupadas" para garantir a correspondência de capacitância balanceada entre fases e seções. Além disso, deve-se enfatizar a entrega e aceitação no local após a instalação para garantir a qualidade da instalação e minimizar falhas durante a operação.
3.2 Melhorar Métodos de Operação e Execução
Ao realizar operações de ligar e desligar para cargas de linha, os bancos de capacitores devem seguir o princípio de "desconectar primeiro, depois conectar", enquanto as linhas de carga devem seguir a sequência de "conectar primeiro, depois desconectar". Esta ordem não pode ser alterada arbitrariamente.
Antes de restaurar as operações dos bancos de capacitores, deve-se garantir tempo suficiente para descarga. A troca frequente de bancos de capacitores deve ser minimizada; apenas após a descarga completa pode haver reconexão. Se uma falha causar o disparo de dispositivos de proteção, o banco de capacitores não pode ser reconectado antes de identificar a causa para evitar a escalada de um acidente.
Para evitar que harmônicas de ordem superior afetem os bancos de capacitores, selecione taxas de reatores apropriadas com base em cenários de aplicação específicos. Isso suprime efetivamente as harmônicas de ordem superior, reduz as correntes de inrush e sobretensão ao fechar, garantindo a operação segura de todo o sistema.
3.3 Controle da Temperatura do Ambiente de Operação
A temperatura de operação dos capacitores impacta diretamente seu desempenho e vida útil. Altas temperaturas aceleram o envelhecimento do isolamento, encurtando a vida útil. Portanto, controlar a temperatura do ambiente de operação é crucial. Bancos de capacitores instalados internamente devem manter boa ventilação e, quando necessário, instalar sistemas de controle de temperatura automático. Unidades externas devem evitar exposição direta ao sol e garantir ventilação e dissipação de calor adequadas. Realize regularmente termografia infravermelha em bancos de capacitores e equipamentos associados para tomar medidas oportunas, garantindo que as temperaturas do meio interno e ambientais estejam de acordo com as regulamentações.
3.4 Implementar Monitoramento Online do Estado Operacional do Equipamento
Instalar dispositivos de monitoramento online em bancos de capacitores facilita o monitoramento em tempo real do estado operacional, auxiliando na detecção e tratamento oportunos de possíveis falhas. Isso inclui o monitoramento da tensão de operação real, descargas parciais, perda dielétrica, capacitância, corrente de fuga e outros sinais característicos. Não apenas ajuda no diagnóstico e isolamento de falhas, mas também permite a análise de defeitos potenciais, alcançando alertas preditivos de falhas.
3.5 Aumentar a Inspeção Rotineira do Equipamento
Fortalecer a inspeção rotineira é vital para garantir a operação normal dos bancos de capacitores. O foco deve estar na verificação de deformações na carcaça, vazamentos de óleo, níveis de contaminação dos isoladores de porcelana, sinais de descarga, distâncias elétricas e temperaturas ambientais. Métodos auxiliares, como termografia infravermelha, podem detectar superaquecimento em conexões, permitindo manutenção oportuna e garantindo a operação segura de conjuntos de capacitores de potência.
Conclusão
Ao analisar os mecanismos de falha, características e causas dos capacitores de potência, este artigo propõe medidas preventivas em cinco aspectos: qualidade na fabricação e comissionamento do equipamento, métodos de operação, controle da temperatura do ambiente de operação, monitoramento online do estado operacional e inspeções rotineiras. Essas recomendações fornecem orientação prática para a aplicação eficaz de capacitores de potência.
