Proteção Térmica de Motores MT: Sensores PT100 e PTC em Enrolamentos Estatóricos

¿Por qué un motor de MT colapsa térmicamente si el relé 49 jamás registró sobrecorriente? Desliza este dossier técnico para dominar la protección con RTD PT100

Ing. Francisco Ramírez

Termodinâmica e Dinâmica Térmica do Estator em Motores de Média Tensão

O comportamento térmico das máquinas assíncronas e síncronas de média tensão (tipicamente de 2.3kV2.3 kV a 13.8kV13.8 kV) é regido pela geração interna de perdas ôhmicas (I2RI^2 R), magnéticas no núcleo ferromagnético (perdas por histerese e correntes de Foucault), perdas mecânicas por atrito e ventilação, e perdas suplementares em carga (stray load losses). A equação diferencial fundamental de condução de calor em regime transitório e espacialmente distribuída no domínio tridimensional do estator é expressa segundo a formulação de Fourier-Poisson:

ρ(r)cp(r)T(r,t)t=(k(r)T(r,t))+q(r,t)\rho(\mathbf{r}) c_p(\mathbf{r}) \frac{\partial T(\mathbf{r}, t)}{\partial t} = \nabla \cdot \left( k(\mathbf{r}) \nabla T(\mathbf{r}, t) \right) + q'''(\mathbf{r}, t)

onde ρ(r)\rho(\mathbf{r}) representa a densidade de massa dos diferentes materiais constitutivos (kg/m3kg/m ^3), cp(r)c_p(\mathbf{r}) é o calor específico (J/(kgK)J /( kg \cdot K )), k(r)k(\mathbf{r}) é o tensor de condutividade térmica ortotrópica (W/(mK)W /( m \cdot K )), T(r,t)T(\mathbf{r}, t) é o campo escalar de temperatura (KK), e q(r,t)q'''(\mathbf{r}, t) é a densidade volumétrica de geração de calor (W/m3W/m ^3).

Heterogeneidade de Materiais e Anisotropia de Condução Térmica

O estator de média tensão apresenta uma estrutura composta altamente anisotrópica. Os enrolamentos são constituídos por barras de cobre pré-formadas (form-wound coils), isoladas por meio de fitas de mica aglomeradas com resinas epóxi sob processos de impregnação a váCuO e pressão (VPI, Vacuum Pressure Impregnation). A condutividade térmica do cobre puro (kCu380a400W/(mK)k_{ Cu } \approx 380 a 400 W /( m \cdot K )) contrasta severamente com la condutividade ortotrópica do pacote isolante de mica-epóxi:

  • Condutividade térmica longitudinal (paralela às camadas de fita): k0.8a1.2W/(mK)k_{\parallel} \approx 0.8 a 1.2 W /( m \cdot K ).
  • Condutividade térmica transversal (perpendicular à espessura do isolamento de ranhura): k0.2a0.35W/(mK)k_{\perp} \approx 0.2 a 0.35 W /( m \cdot K ).
  • Condutividade do pacote de laminações de aço-silício: klam,axial1.5a4.0W/(mK)k_{ lam, axial } \approx 1.5 a 4.0 W /( m \cdot K ) através da camada de verniz isolante interlaminar (C-5), frente a klam,radial/azimutal25a40W/(mK)k_{ lam, radial/azimutal } \approx 25 a 40 W /( m \cdot K ) no plano do grão.

Esta acentuada diferença de condutividades térmicas gera um gradiente de temperatura pronunciado através da espessura do isolamento principal de terra (groundwall insulation). A queda de temperatura estacionária ΔTisol\Delta T_{ isol } através de um isolamento de espessura δisol\delta_{ isol } com um fluxo superficial de calor qq'' é quantificada mediante a lei unidimensional de Fourier:

ΔTisol=TCuT nuˊcleo =qδisolk=(PCuAranhura)δisolk\Delta T_{ isol } = T_{ Cu } - T_{\text{ núcleo }} = q'' \frac{\delta_{ isol }}{k_{\perp}} = \left( \frac{P_{ Cu }}{A_{ ranhura }} \right) \frac{\delta_{ isol }}{k_{\perp}}

Em motores de 6.6kV6.6 kV ou 13.8kV13.8 kV, onde δisol\delta_{ isol } oscila entre 1.8mm1.8 mm e 4.5mm4.5 mm, a queda térmica ΔTisol\Delta T_{ isol } a plena carga pode atingir valores entre 15K15 K e 35K35 K. Por conseguinte, a medição superficial do pacote magnético ou do ar de resfriamento subestima criticamente a temperatura interna do condutor de cobre, justificando a necessidade obrigatória de sensores de temperatura embutidos diretamente no interior da ranhura estatórica.

Localização do Ponto Quente (Hotspot) Estatórico

O ponto mais quente do enrolamento (hotspot) não se situa de forma homogênea ao longo do estator. Sua localização depende da topologia do circuito de ventilação (radial, axial, axial-radial simétrico ou assimétrico segundo as normas IEC 60034-6 e IEEE 620). Em um sistema de resfriamento simétrico com dupla entrada de ar pelas extremidades e descarga radial central (IC01, IC611 ou IC81W), o perfil de temperatura longitudinal do condutor TCu(z)T_{ Cu }(z) exibe um comportamento parabólico com o máximo absoluto no centro axial do estator (z=L/2z = L/2):

T(z)=Tin+qCum˙cp,ar0zAcond(ζ)dζ+qCuAcondhconvPperim[1ehconvPperimm˙cp,arz]T(z) = T_{ in } + \frac{q'''_{ Cu }}{\dot{m} c_{p, ar }} \int_0^z A_{ cond }(\zeta) d\zeta + \frac{q'''_{ Cu } A_{ cond }}{h_{ conv } P_{ perim }} \left[ 1 - e^{-\frac{h_{ conv } P_{ perim }}{\dot{m} c_{p, ar }} z} \right]

onde m˙\dot{m} é o fluxo mássico de refrigerante, hconvh_{ conv } é o coeficiente de transferência convectiva superficial (W/(m2K)W /( m ^2\cdot K )), e PperimP_{ perim } é o perímetro exposto ao refrigerante.

Física do Estado Sólido e Princípios Transdutores: PT100 versus PTC

A proteção térmica del estator em média tensão emprega duas tecnologias fundamentais baseadas em semicondutores e metais de transição: detectores termométricos resistivos de platina (RTD PT100) e termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC).

Detectores Resistivos de Platina (PT100)

O transdutor PT100 baseia seu princípio de funcionamento no espalhamento de elétrons de condução devido às vibrações da rede cristalina (fônons) na platina pura (99.99%99.99\%), descrita microscopicamente pela regra de Matthiessen. A resistividade ρ(T)\rho(T) aumenta linearmente em uma ampla faixa de temperaturas.

Conforme a norma internacional IEC 60751 (e sua homóloga ASTM E1137), a relação resistência-temperatura para a platina com coeficiente de temperatura α=0.00385055C1\alpha = 0.00385055 ^\circ C ^{-1} (padrão DIN/IEC) é formalizada analiticamente mediante a equação de Callendar-Van Dusen:

R(T)={R0(1+AT+BT2+C(T100C)T3)para200CT<0CR0(1+AT+BT2)para0CT850CR(T) = \begin{cases} R_0 \left( 1 + A T + B T^2 + C (T - 100^\circ C ) T^3 \right) & para -200^\circ C \le T < 0^\circ C \\ R_0 \left( 1 + A T + B T^2 \right) & para 0^\circ C \le T \le 850^\circ C \end{cases}

onde R0=100.00ΩR_0 = 100.00 \Omega a 0C0^\circ C, e os coeficientes padronizados são:

  • A = 3.9083 \times 10^{-3} ^\circ C ^{-1}
  • B = -5.7750 \times 10^{-7} ^\circ C ^{-2}
  • C = -4.1830 \times 10^{-12} ^\circ C ^{-4}

A sensibilidade ou coeficiente de variação térmica diferencial SPT100(T)S_{ PT100 }(T) é obtida derivando a equação quadrática:

SPT100(T)=dR(T)dT=R0(A+2BT)S_{ PT100 }(T) = \frac{dR(T)}{dT} = R_0 (A + 2 B T)

A T=100CT = 100^\circ C, SPT1000.379Ω/CS_{ PT100 } \approx 0.379 \Omega/^\circ C, o que confere uma resposta de alta linearidade com incerteza típica inferior a ±0.3K\pm 0.3 K para sondas de Classe A (segundo a IEC 60751: ΔTtol=±(0.15+0.002T)C\Delta T_{ tol } = \pm (0.15 + 0.002 |T|) ^\circ C).

Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)

Os termistores PTC são cerâmicas semicondutoras policristalinas dopadas baseadas em titanato de bário (BaTiO3BaTiO _3). A temperaturas inferiores à temperatura de Curie (TCT_C), o material encontra-se em uma fase ferroelétrica tetragonal com alta polarização espontânea nos contornos de grão, compensando as armadilhas de potencial e mantendo uma baixa resistividad.

Ao superar a temperatura crítica TCT_C (projetada metalurgicamente entre 110C110^\circ C e 180C180^\circ C para aplicações de isolamento elétrico classe B, F ou H), a estrutura cristalina experimenta uma transição de fase para um estado paraelétrico cúbico. A constante dielétrica relativa εr\varepsilon_r colapsa segundo a lei de Curie-Weiss:

εr=CTT0(paraT>TC)\varepsilon_r = \frac{C}{T - T_0} \quad ( para T > T_C)

Este colapso destrói a compensação de carga nos contornos de grão, elevando exponencialmente a altura da barreira de potencial eletrostático de Schottky (Φb\Phi_b). A resistividade global do termistor ρ(T)\rho(T) exibe um salto abrupto modelado pela equação de Heywang:

ρ(T)=ρ0exp(eΦbkBT)=ρ0exp(e2Ns28ε0εrNdkBT)\rho(T) = \rho_0 \exp\left( \frac{e \Phi_b}{k_B T} \right) = \rho_0 \exp\left( \frac{e^2 N_s^2}{8 \varepsilon_0 \varepsilon_r N_d k_B T} \right)

onde NsN_s é a densidade superficial de estados de armadilha no contorno de grão, NdN_d é a concentração volumétrica de doadores, ee é a carga elementar e kBk_B é a constante de Boltzmann.

R(T)Rbase(1+exp(β(TTref)))R(T) \approx R_{ base } \left( 1 + \exp\left( \beta (T - T_{ ref }) \right) \right)

Para temperaturas T<TTNF20KT < T_{ TNF } - 20 K (temperatura nominal de funcionamento segundo a DIN 44081/44082), a resistência típica de uma sonda PTC situa-se entre 20Ω20 \Omega e 250Ω250 \Omega. Nas imediações de TTNFT_{ TNF }, a resistência supera os 1000Ω1\,000 \Omega (limiar de alarme típico) e ultrapassa os 4000Ω4\,000 \Omega para T=TTNF+15KT = T_{ TNF } + 15 K (limiar obrigatório de desligamento/trip), operando funcionalmente como um interruptor de estado sólido térmico de lógica binária.

Parâmetro Técnico / Operacional Sonda RTD PT100 (IEC 60751) Sonda Termistor PTC (DIN 44081 / 44082)
Princípio Físico Variação resistiva linear por fônons em metal nobre (Platina) Transição de fase ferroelétrica-paraelétrica em BaTiO3BaTiO _3
Faixa de Linearidade Excelente (50C-50^\circ C a +250C+250^\circ C, α=0.00385\alpha = 0.00385) Extremamente não linear; comportamento degrau (step function)
Função Primária no Relé de Proteção Monitoramento contínuo, tendência, cálculo de gradientes dT/dtdT/dt, ANSI 49 Proteção catastrófica por sobretemperatura pontual de desligamento rápido
Tempo de Resposta Térmica (τ63.2%\tau_{63.2\%}) Moderado (1.5s1.5 s a 5.0s5.0 s embutida na ranhura) Rápido (0.5s0.5 s a 2.0s2.0 s graças à sua reduzida massa térmica)
Imunidade ao Ruído EMI / Transientes Média-Baixa (requer filtragem analógica ativa e topologia de 3/4 fios) Alta (a grande variação de resistência minimiza o impacto do ruído)
Modo Típico de Falha Deriva positiva por estresse mecânico, circuito aberto por vibração Circuito aberto por fratura cerâmica ou degradação por sobretensão

Projeto e Integração Mecânica e Dielétrica de Sondas Embutidas

A inserção física de sensores em enrolamentos estatóricos de média tensão introduz descontinuidades mecânicas e concentradores de campo eletrostático dentro do sistema de isolamento classe F (155C155^\circ C) ou classe H (180C180^\circ C).

Arquitetura de Instalação na Ranhura do Estator

De acordo com as diretrizes das normas IEEE Std 620, IEC 60034-11 e IEEE Std 1434, implementam-se três metodologias de instalação de sensores térmicos no estator:

  1. Sonda Embutida na Ranhura (Slot RTD - Entre Barras): É a localização normalizada obrigatória para média tensão. A sonda, fabricada com um encapsulamento plano rígido de fibra de vidro/epóxi (Grau NEMA G-10 ou G-11) de dimensões típicas 2mm×10mm×150500mm2 mm \times 10 mm \times 150 -- 500 mm, é introduzida no plano médio radial da ranhura, intercalada mecanicamente entre a barra superior (top coil side) e a barra inferior (bottom coil side). Nesta interface, o sensor registra uma temperatura ponderada:
    Tsensork,supTCu,sup+k,infTCu,infk,sup+k,infT_{ sensor } \approx \frac{k_{\perp, sup } T_{ Cu,sup } + k_{\perp, inf } T_{ Cu,inf }}{k_{\perp, sup } + k_{\perp, inf }}
  2. Sondas nas Cabeças de Bobina (End-Winding RTD/PTC): São fixadas mecanicamente e amarradas com cordões de fibra de vidro/Nomex diretamente sobre o isolamento externo das cabeças de bobina antes do processo VPI. Detectam o acúmulo térmico devido à deficiência local de ventilação ou a correntes harmônicas de sequência negativa (I2I_2).
  3. Sondas nos Dentes do Núcleo (Stator Core RTDs): Embutidas em orifícios usinados no pacote de laminações magnéticas para supervisionar perdas por correntes de Foucault interlaminares devidas à deterioração do isolamento superficial das chapas.

Isolamento Galvânico, Concentração de Campo Elétrico e Descargas Parciais

A tensão nominal de linha para a terra nos terminais de um motor de tensão UnU_n é dada por Vphg=Un/3V_{ ph-g } = U_n / \sqrt{3}. Para um motor de 13.8kV13.8 kV, o valor de pico nominal aplicado ao isolamento principal é:

V^phg=13800V2311268Vpico\hat{V}_{ ph-g } = \frac{13\,800 V \cdot \sqrt{2}}{\sqrt{3}} \approx 11\,268 V _{ pico }

Os cabos de instrumentação das sondas operan ao potencial de terra da sala de controle ou do painel de proteção (PE, 0V\export0 V \export). Se a sonda for colocada entre barras de fases distintas dentro da mesma ranhura (zona de inversão de fase, onde a tensão entre condutores pode atingir UnU_n), a barreira isolante da sonda deve suportar simultaneamente a solicitação dielétrica e os esforços de cisalhamento termomecânico.

A espessura da blindagem dielétrica integrada na própria sonda plana (tsondat_{ sonda }) apresenta uma permissividade relativa εr,sonda4.5\varepsilon_{r, sonda } \approx 4.5, enquanto a resina epóxi da ranhura apresenta εr,epoxi3.8\varepsilon_{r, epoxi } \approx 3.8. Em caso de existência de microvazios não impregnados (εr,ar=1.0\varepsilon_{r, ar } = 1.0) na interface entre a barra e o corpo da sonda, a componente perpendicular do campo eletrostático EarE_{ ar } se intensifica de forma inversamente proporcional à permissividade:

Ear=Edieletrico(εr,dieletricoεr,ar)E_{ ar } = E_{ dieletrico } \left( \frac{\varepsilon_{r, dieletrico }}{\varepsilon_{r, ar }} \right)

Se EarE_{ ar } superar a rigidez dielétrica crítica do ar (EPaschen3.0kV/mmE_{ Paschen } \approx 3.0 kV/mm à pressão atmosférica), desencadeiam-se Descargas Parciais (DP) internas de alta energia. Este fenômeno bombardeia ionicamente o substrato epóxi da sonda, provocando o fenômeno de arborescência elétrica (electrical treeing), a perfuração do invólucro do sensor e a injeção destrutiva da alta tensão de linha (13.8kV13.8 kV) diretamente para as placas de entradas analógicas dos relés de proteção numéricos.

Por norma (IEEE 43, IEC 60034-1 e IEC 60255-27), as sondas embutidas para média tensão devem ser construídas com isolamento integral ensayado individualmente a uma tensão de rigidez dielétrica à frequência industrial não inferior a:

Vensaio,RTD=2Un+1000VRMS(mıˊnimo2.5kVRMSdurante60s)V_{ ensaio, RTD } = 2 U_n + 1\,000 V _{ RMS } \quad ( mínimo 2.5 kV _{ RMS } durante 60 s )

Da mesma forma, os cabos de saída devem incorporar uma blindagem trançada de cobre estanhado conectada ao aterramento físico exclusivamente na extremidade do relé para derivar correntes capacitivas parasitas.

Modelagem Matemática da Cadeia de Medição e Compensação de Erros

A medição precisa por meio de PT100 requer neutralizar duas fontes primárias de erro metrológico: a resistência parasita dos condutores de conexão (RLR_L) e o autoaquecimento (self-heating) induzido pela corrente de excitação (IexcI_{ exc }).

Análise de Circuitos de Conexão: Ponte de Wheatstone e Condicionamento Analógico

O comprimento do cabeamento desde o interior do estator até a caixa de ligação auxiliar (junction box) do motor e de lá para a sala de controle pode superar os 100m100 m. Com cabos de instrumentação padrão de 0.75mm20.75 mm ^2 (ρCu,200.024Ω/m\rho_{ Cu,20 } \approx 0.024 \Omega/ m), a resistência de ida e volta 2RL2 R_L pode atingir 6.4Ω6.4 \Omega, o que representaria um erro sistemático não admissível de:

ΔTerro=2RLSPT1006.4Ω0.385Ω/C+16.6C\Delta T_{ erro } = \frac{2 R_L}{S_{ PT100 }} \approx \frac{6.4 \Omega}{0.385 \Omega/^\circ C } \approx +16.6 ^\circ C

Para anular esta divergência, empregam-se configurações de conexão multifilar com condicionamento ratiométrico:

Topologia a Três Fios (3-Wire Compensation)

No circuito balanceado a 3 fios conectado a um conversor analógico-digital (ADC) diferencial através de duas fontes idênticas de corrente constante I1=I2=IexcI_1 = I_2 = I_{ exc }:

Vmedido=[(RPT100+RL1)I1RL2I2]V_{ medido } = \left[ (R_{ PT100 } + RL1) I_1 - RL2 I_2 \right]

Assumindo simetria física e térmica rigorosa dos condutores (RL1=RL2=RLRL1 = RL2 = R_L):

Vmedido=RPT100Iexc+RL(I1I2)RPT100IexcV_{ medido } = R_{ PT100 } \cdot I_{ exc } + R_L (I_1 - I_2) \equiv R_{ PT100 } \cdot I_{ exc }

A tensão resultante é independente do comprimento do cabo. No entanto, se existir uma assimetria por degradação de terminais ou gradiente térmico diferencial entre condutores (ΔRL=RL1RL20\Delta R_L = |RL1 - RL2| \ne 0), surge um erro residual direto:

ΔTerro,3f=ΔRLSPT100\Delta T_{ erro, 3f } = \frac{\Delta R_L}{S_{ PT100 }}

Topologia a Quatro Fios Kelvin (4-Wire Absolute Measurement)

A topologia a 4 fios aplica uma corrente de excitação IexcI_{ exc } através de um par de fios externos (1 e 4) e mede a queda de potencial exclusivamente nos terminais da PT100 mediante um voltímetro de instrumentação com impedância de entrada Zin10GΩZ_{ in } \ge 10 G \Omega através do par interno (2 e 3):

Ivoltimetro=VPT100Zin+2RL0    VADC=VPT100=IexcRPT100(T)I_{ voltimetro } = \frac{V_{ PT100 }}{Z_{ in } + 2 R_L} \approx 0 \implies V_{ ADC } = V_{ PT100 } = I_{ exc } R_{ PT100 }(T)

A eliminação do erro de linha é total e imune a qualquer assimetria de resistência de condutores.

Efeito de Autoaquecimento (Self-Heating Error)

A potência elétrica dissipada no elemento sensor pela passagem da corrente de medição gera um fluxo de calor próprio que eleva a temperatura da platina acima da do meio circundante:

Pdissipada=Iexc2RPT100(T)P_{ dissipada } = I_{ exc }^2 R_{ PT100 }(T)

O incremento espúrio de temperatura em regime permanente θself\theta_{ self } depende do coeficiente de dissipação térmica do sensor encapsulado δth\delta_{ th } (mW/CmW /^\circ C):

θself=Iexc2RPT100(T)δth\theta_{ self } = \frac{I_{ exc }^2 R_{ PT100 }(T)}{\delta_{ th }}

Para uma sonda embutida em resina epóxi (δth2.0mW/C\delta_{ th } \approx 2.0 mW /^\circ C) a 150C150^\circ C (RPT100157.3ΩR_{ PT100 } \approx 157.3 \Omega):

  • Se Iexc=5.0mAI_{ exc } = 5.0 mA: P=(5×103)2×157.3=3.93mW    θself=3.93/2.0+1.97KP = (5 \times 10^{-3})^2 \times 157.3 = 3.93 mW \implies \theta_{ self } = 3.93 / 2.0 \approx +1.97 K (erro inaceitável).
  • Se Iexc=1.0mAI_{ exc } = 1.0 mA: P=(1×103)2×157.3=0.157mW    θself=0.157/2.0+0.08KP = (1 \times 10^{-3})^2 \times 157.3 = 0.157 mW \implies \theta_{ self } = 0.157 / 2.0 \approx +0.08 K (desprezível).

Por este motivo, os módulos RTD de alta precisão limitam a corrente de excitação a Iexc1.0mAI_{ exc } \le 1.0 mA (frequentemente pulsada mediante pulsos discretos sincronizados para minimizar a integral temporal de dissipação).

Estratégias de Proteção Digital e Parametrização (ANSI 49, 49S, 49R)

A proteção térmica do estator em relés multifunção numéricos (IEDs, Intelligent Electronic Devices) combina o modelo matemático de imagem térmica dinâmica baseado em corrente (ANSI 49 / 49S) com a realimentação em tempo real fornecida pelas sondas RTD/PTC embutidas (ANSI 49R).

Acoplamento da Imagem Térmica Digital com Correção RTD (RTD Biasing)

O modelo padrão de imagem térmica de primeira ordem implementado nos relés digitais segundo a IEC 60255-149 resolve recursivamente a equação diferencial do balanço térmico:

τthdθ(t)dt+θ(t)=(IeqInominal)2\tau_{ th } \frac{d\theta(t)}{dt} + \theta(t) = \left( \frac{I_{ eq }}{I_{ nominal }} \right)^2

onde θ(t)\theta(t) é a capacidade térmica utilizada (0θ1.00 \le \theta \le 1.0 ou 100%100\%), τth\tau_{ th } é a constante de tempo térmica global do estator, e IeqI_{ eq } é a corrente equivalente balanceada que incorpora o aquecimento adicional por componentes harmônicas e sequência negativa (I2I_2):

Ieq=I12+k2I22+n=3knIn2I_{ eq } = \sqrt{I_1^2 + k_2 I_2^2 + \sum_{n=3}^\infty k_n I_n^2}

O algoritmo de RTD Biasing utiliza a temperatura real medida pela sonda mais quente do estator (Tmax,RTDT_{ max,RTD }) para recalibrar dinámicamente o estado interno do integrador de imagem térmica. A capacidade térmica calculada por polarização de RTD (θRTD\theta_{ RTD }) é parametrizada linearmente por trechos definidos por três limiares de temperatura:

θRTD={0paraTmax,RTDTbase(Tmax,RTDTbaseTalarmeTbase)×θalarmeparaTbase<Tmax,RTDTalarmeθalarme+(Tmax,RTDTalarmeTdisparoTalarme)×(1.0θalarme)paraTalarme<Tmax,RTDTdisparo\theta_{ RTD } = \begin{cases} 0 & para T_{ max,RTD } \le T_{ base } \\ \left( \frac{T_{ max,RTD } - T_{ base }}{T_{ alarme } - T_{ base }} \right) \times \theta_{ alarme } & para T_{ base } < T_{ max,RTD } \le T_{ alarme } \\ \theta_{ alarme } + \left( \frac{T_{ max,RTD } - T_{ alarme }}{T_{ disparo } - T_{ alarme }} \right) \times (1.0 - \theta_{ alarme }) & para T_{ alarme } < T_{ max,RTD } \le T_{ disparo } \end{cases}

O relé seleciona dinamicamente o valor dominante para a tomada de decisões de desligamento: θfinal=max(θcorrente,θRTD)\theta_{ final } = \max\left( \theta_{ corrente }, \theta_{ RTD } \right). Este mecanismo compensa anomalias que la imagem baseada em corrente não pode prever, tais como falhas no fluxo de ar por obstrução de filtros, temperaturas ambiente elevadas na sala ou falhas no circuito de resfriamento por água de trocadores de calor (CACW / CACA).

Classe de Isolamento (IEC 60085) Limite Térmico Máximo (TmaxT_{ max }) Elevação Admissível (ΔT\Delta T por Resistência) Limiar de Alarme Recomendado (Slot RTD) Limiar de Desligamento / Trip Recomendado (Slot RTD)
Classe B 130C130^\circ C 80K80 K (com Tamb=40CT_{ amb } = 40^\circ C) 115C115^\circ C 125C125^\circ C a 130C130^\circ C
Classe F (Operada como B) 155C155^\circ C 80K80 K (projeto conservativo com margem de vida útil de 2×2\times) 120C120^\circ C 130C130^\circ C a 135C135^\circ C
Classe F 155C155^\circ C 105K105 K 140C140^\circ C 150C150^\circ C a 155C155^\circ C
Classe H 180C180^\circ C 125K125 K 160C160^\circ C 170C170^\circ C a 175C175^\circ C

Lógica de Votação e Filtragem de Artefatos de Medição

As falhas nos cabos de instrumentação (curto-circuito ou abertura) gerariam leituras extremas espúrias (50C-50^\circ C ou +300C+300^\circ C), induzindo desligamentos intempestivos da unidade de potência. Portanto, o firmware do relé executa uma matriz de supervisão de validade física antes de ativar as funções de proteção:

  • Detecção de Sonda Aberta / Desconectada: Se Rmedido>390ΩR_{ medido } > 390 \Omega (T>850CT > 850^\circ C), a entrada é bloqueada automaticamente marcando o estado Sensor Fault.
  • Detecção de Sonda em Curto-Circuito: Se Rmedido<18ΩR_{ medido } < 18 \Omega (T<200CT < -200^\circ C), a entrada é invalidada.
  • Gradiente Térmico de Plausibilidade Física (dT/dtdT/dt): A constante de tempo térmica do estator impede incrementos instantâneos superiores a 2K/s2 K/s. Se dTdt>5K/s\left| \frac{dT}{dt} \right| > 5 K/s, o dado é descartado por se tratar de acoplamento de ruído eletromagnético.
  • Lógica de Votação Cruzada (2ooN): Para a ativação do desligamento irreversível do disjuntor (ANSI 86), o algoritmo requer que pelo menos duas sondas independentes superem o limiar de desligamento (TdisparoT_{ disparo }) na mesma ranhura ou fase adjacente (2oo32oo3 ou 2oo62oo6), ou bem a coincidência simultânea entre o alarme térmico por sobrecorriente (ANSI 49) e uma sonda RTD individual que supere TdisparoT_{ disparo }.

Análise Forense de Falhas e Modos de Degradação Dielétrico-Térmica

A investigação de falhas catastróficas em motores de média tensão revela padrões críticos nos quais as sondas embutidas atuam indistintamente como vítimas ou como catalisadoras diretas da destruição do isolamento.

Mecanismo de Desgaste Mecânico por Vibração Eletrodinâmica (Fretting)

À frequência industrial (50Hz50 Hz ou 60Hz60 Hz), os condutores dentro da ranhura estatórica experimentam forças eletrodinâmicas radiais oscilatórias no dobro da frequência da rede (100Hz100 Hz ou 120Hz120 Hz) proporcionais ao quadrado da corrente de ranhura:

Franhura(t)=μ0Lcore2wranhura(itop(t)+ibottom(t))2F_{ ranhura }(t) = \frac{\mu_0 L_{ core }}{2 w_{ ranhura }} \left( i_{ top }(t) + i_{ bottom }(t) \right)^2

Em partidas diretas de motores onde Ipart6.0a7.5InI_{ part } \approx 6.0 a 7.5 I_n, as forças eletrodinâmicas multiplicam-se por um fator de 36a5636 a 56. Se o cunhamento da ranhura perder a compressão elástica com o tempo:

  1. As barras superior e inferior sofrem microdeslocamentos axiales e radiais relativos.
  2. O corpo da sonda RTD fica submetido a atrito abrasivo contínuo (fretting wear).
  3. A matriz de fibra de vidro do encapsulamento da sonda pulveriza-se gradualmente até expor os filamentos internos de platina ou as trilhas de interconexão.
  4. O contato metal-metal entre o condutor da sonda e o pacote de isolamento danificado perfura a isolação da bobina, transformando-se em uma falha catastrófica de fase para a terra (Isc,phgI_{ sc,ph-g }) através da própria linha de instrumentação.

Acoplamento de Transientes Rápidos (dv/dtdv/dt) por Inversores VFD / PWM

Quando um motor de média tensão é alimentado por inversores de frequência com transistores IGBT ou IGCT (tecnologia PWM multinível ou de dois níveis), as frentes de onda de tensão incidentes nos terminais possuem taxas de subida muito elevadas (dv/dt>5a10kV/μsdv/dt > 5 a 10 kV /\mu s).

Devido à capacitância distribuída parasita (CacoplC_{ acopl }) existente entre o condutor ativo da barra e o elemento sensor (tipicamente 15a40pF15 a 40 pF por sonda na ranhura), a injeção de corrente transiente de modo comum (imci_{ mc }) em direção ao circuito eletrônico de instrumentação rege-se por:

imc(t)=Cacopldv(t)dti_{ mc }(t) = C_{ acopl } \frac{dv(t)}{dt}

Para um surto com dv/dt=10kV/μs=1010V/sdv/dt = 10 kV /\mu s = 10^{10} V/s e Cacopl=30pFC_{ acopl } = 30 pF:

imc=(30×1012F)×(1010V/s)=0.30Apicoi_{ mc } = (30 \times 10^{-12} F ) \times (10^{10} V/s ) = 0.30 A _{ pico }

Esta corrente de modo comum de alta frequência, ao retornar à terra através da impedância do módulo analógico de entrada RTD, gera uma sobretensão transiente (VGND=imcZchassiV_{ GND } = i_{ mc } \cdot Z_{ chassi }) que ultrapassa a rigidez dielétrica dos diodos supressores de surto (TVS), perfura os multiplexadores analógicos monolíticos e destrói de forma irreversível os processadores digitais de sinal do sistema de monitoramento térmico.

Engenharia Aplicada e Validação com Vexten Suite

O dimensionamento térmico, a validação de transientes de partida e a seletividade das funções de proteção são executados de maneira integral mediante os módulos computacionais especializados do Vexten Suite.

Iadmissivel=Ibase×kharmonic×ktemperature×kgroupingI_{ admissivel } = I_{ base } \times k_{ harmonic } \times k_{ temperature } \times k_{ grouping }

Fluxo de Trabalho Analítico no Vexten Suite

  1. Cálculo de Curto-Circuito e Estresse Dielétrico (Módulo IEC 60909 / IEEE 141):
    • Modelagem da rede de média tensão para determinar as correntes de curto-circuito simétricas (IkI_k'') e assimétricas de pico (ipi_p).
    • Avaliação da sobretensão temporária induzida no neutro (TOV, Temporary Overvoltage) durante falhas assimétricas fase-terra. Isso permite verificar se o isolamento das sondas embutidas suporta a elevação do potencial galvânico sem atingir a tensão de ignição de descargas parciais.
  2. Simulação Dinâmica de Partida de Motores e Limite Térmico (Módulo Motor Acceleration):
    • Cálculo da curva de dano térmico do rotor e do estator em condições de rotor bloqueado (locked-rotor thermal limit) e partida com alta inércia de carga (JcargaJmotorJ_{ carga } \gg J_{ motor }).
    • Superposição interativa das curvas características de atuação da réplica térmica digital (ANSI 49) e as curvas de temperatura-tempo registradas pelas sondas RTD/PTC simuladas.
    • Otimização dos tempos de inibição de desligamento por gradiente térmico elevado transiente durante a aceleração, garantindo o desligamento seletivo antes que o cobre do enrolamento supere seu limite térmico crítico (Tlimite,F=155CT_{ limite,F } = 155^\circ C).
  3. Dimensionamento de Cabos e Correção de Temperatura (Módulo IEC 60287 / NEC 310):
    • Integração das perdas por distorção harmônica produzidas por acionamentos VFD para determinar a desclassificação térmica (derating) analítica dos condutores de média tensão e dos circuitos de instrumentação.
    • Modelagem do acoplamento indutivo e capacitivo cruzado entre os cabos alimentadores de força do motor e as linhas de sinal blindadas das sondas PT100, verificando se os níveis de ruído de modo série induzido não excedem os 10mV10 mV eficazes, assegurando um erro de leitura inferior a ±0.25K\pm 0.25 K.

Esta metodologia integrada de modelagem multifísica no Vexten Suite assegura uma transição harmônica entre o projeto eletromagnético do enrolamento, a rigidez dielétrica dos componentes de sensoriamento embutidos e a parametrização das proteções numéricas da subestação.