Análise da causa raiz do mau funcionamento do relé térmico: influência da temperatura ambiente, perfil de carga e erros de seleção

1. Introdução: Síndrome de falsa ativação do relé térmico

A operação incorreta de relés térmicos é um problema comum em ambientes industriais, resultando em paradas não planejadas de equipamentos, redução de produtividade e perdas econômicas significativas. Apesar de os relés térmicos serem projetados para proteger motores elétricos contra sobrecargas e superaquecimentos, seu funcionamento incorreto - acionamento na ausência de ameaça real - requer uma profunda análise de engenharia. Esta análise deve ser sistemática, baseada em evidências e focada nas causas profundas e não apenas nos sintomas. As consequências típicas incluem: perda de tempo de trabalho de até 3 horas por incidente, custos de diagnóstico e reinicialização de até 500 euros por incidente e possíveis danos ao produto nas cadeias de processo.

2. Visão geral dos componentes: Relé térmico e sua função

O relé térmico é um elemento chave do sistema de proteção de motores elétricos de baixa tensão, que garante sua confiabilidade a longo prazo, desligando a energia quando as correntes permitidas são excedidas. A proteção contra sobrecarga é crítica porque a corrente excessiva leva ao superaquecimento dos enrolamentos do motor, à degradação do isolamento e, como resultado, à falha completa. Operar o motor a uma temperatura dos enrolamentos 10°C acima da nominal reduz sua vida útil aproximadamente pela metade. O tempo médio até a falha (MTBF) para um motor trifásico de qualidade é de 50.000 a 70.000 horas, mas esse número cai drasticamente com sobrecargas frequentes.

Existem dois tipos principais de relés térmicos:

• Relés bimetálicos: Funcionam segundo o princípio da deformação de placas bimetálicas sob a ação do calor liberado quando a corrente flui. Relativamente simples, econômico, mas sensível à temperatura ambiente.
• Relés eletrônicos: Utilize termistores ou transformadores de corrente para medição, microprocessadores para análise e proteção de precisão. Fornece maior precisão, menos sensibilidade a temperaturas externas e recursos avançados, incluindo monitoramento de temperatura do enrolamento (usando sensores PT100) e recursos de comunicação.

A seleção e configuração do relé térmico são reguladas por normas internacionais e nacionais, em particular ДСТУ EN IEC 60947-4-1:2020 "Comutador de baixa tensão completo. Parte 4-1: Contatores e partidas de motores elétricos. Contatores e partidas eletromecânicas", que define os requisitos de projeto, características e testes desses dispositivos.

3. Evidência de falha: O que o técnico observa

No caso de falso acionamento do relé térmico, um técnico experiente se depara com uma situação paradoxal: o motor para, mas não há sinais visuais e instrumentais de sobrecarga. A evidência típica de recusa inclui:

• Inscrições em logs: Acionamento sistemático de relés em determinados horários do dia ou durante determinados ciclos de produção, que não se correlacionam com picos de carga. Por exemplo, acionamento às 14h00. todos os dias, quando o sol aquece ao máximo a oficina.
• Medição de corrente: O alicate amperímetro mostra uma corrente que está entre 70-90% do valor nominal do motor, enquanto o relé é ajustado em 110-120% desse valor. A ausência de assimetria de correntes nas fases (desvio <5%) indica equilíbrio de carga.
• Exame termográfico: o uso de um termovisor (por exemplo, Fluke TiS60+) não detecta aquecimento anormal dos enrolamentos do motor (temperatura da superfície corporal <60°C, temperatura do terminal de saída <70°C). No entanto, pode ser detectado um aumento de temperatura no interior do armário de controle, onde está localizado o relé, superior a +35°C.
• Análise de vibração: vibrômetros portáteis (por exemplo, SKF Microlog Analyzer) registram níveis de vibração correspondentes à classe A ou B de acordo com DSTU ISO 10816-3 (normalmente <4,5 mm/s RMS para motores de até 300 kW), indicando que não há problemas mecânicos que possam causar sobrecarga
• Inspeção visual: Ausência de fumaça, cheiro de queimado, escurecimento de fios ou contatos. O motor funciona suavemente, sem ruídos incomuns ou vibrações intermitentes.

Exemplo: Um relé térmico com faixa de 23-32 A, ajustado para 31 A, é instalado em um transportador com motor elétrico de 15 kW, corrente nominal de 29 A (400 V). Funciona sistematicamente no verão a uma temperatura de oficina de +38°C. A medição de corrente mostra 27 A, termografia do motor +55°C, gabinete de controle +45°C. Isto indica claramente a influência de fatores externos, e não uma sobrecarga do motor.

4. Pesquisa de causa raiz: análise sistemática

Uma abordagem sistemática, como a análise dos "5 porquês" ou o diagrama de Ishikawa (espinha de peixe), é usada para identificar as causas básicas das operações incorretas do relé térmico. Isso permite investigar profundamente o problema, levando em consideração todos os fatores possíveis.

4.1. O método dos “5 porquês”

1. Problema: O relé térmico desarma, o motor para sem sobrecarga aparente.
2. Por quê? O relé percebe a corrente operacional normal como uma sobrecarga.
3. Por quê?
   • A. A temperatura ambiente onde o relé está instalado é elevada.
   • B. A corrente de carga do motor possui picos atípicos que excedem a classe operacional do relé.
   • A. O relé foi selecionado ou configurado incorretamente.
   • D. Os elementos do relé degradaram-se ou aumentaram a resistência transitória.
4. Por que (para cada um dos pontos A, B, C, D)?
   • A. Por que a temperatura elevada? - Ventilação insuficiente do armário, exposição direta à luz solar, proximidade de fontes de calor (fogões, compressores).
   • B. Por que picos de corrente atípicos? - Sobrecargas tecnológicas de curta duração (bloqueio de material), altas correntes de partida, alterações nas características do ambiente de trabalho (densidade do líquido).
   • P. Por que está selecionado/configurado incorretamente? - Qualificações de engenharia insuficientes, falta de dados precisos sobre o perfil de carga do motor, não consideração da classe de funcionamento do motor.
   • D. Por que os elementos se degradaram? - Envelhecimento natural dos materiais, corrosão dos contactos, vibrações, poluição, exposição a ambientes agressivos.
5. Por que (para outros fatores)? Por exemplo, Por que a qualificação é insuficiente? - Falta de treinamento regular, desrespeito às instruções do fabricante.

4.2. Fatores do diagrama de Ishikawa

• Homem: Erros da equipe durante a seleção, instalação, ajuste e manutenção.
• Método: Falta de procedimentos padronizados de controle, diagnóstico e manutenção preventiva.
• Máquina: Desgaste ou falha do próprio relé, tipo de relé incorreto para a aplicação.
• Material (Material): Degradação de fiação, superfícies de contato, componentes de relé de baixa qualidade.
• Meio Ambiente: Alta temperatura ambiente, alta umidade, poluição por poeira, vapores químicos agressivos.
• Medição: Uso de instrumentos não calibrados, falta de dados precisos sobre parâmetros do motor e perfil de carga.

5. Causas raiz identificadas

Com base em uma análise sistemática, é possível identificar as principais causas do falso funcionamento dos relés térmicos, classificadas por probabilidade e confirmadas por evidências:

1. Aumento da temperatura ambiente (probabilidade 40%)

   Gist: Os relés térmicos, especialmente os bimetálicos, são calibrados para funcionar a uma temperatura padrão de +20°C. Quando a temperatura ambiente aumenta, o relé aquece rapidamente até um ponto crítico, mesmo que a corrente do motor esteja normal. Cada aumento na temperatura no gabinete de controle em 10°C acima da temperatura nominal de operação do relé (normalmente +20°C) pode levar a uma redução da corrente permitida em 5-10%. Por exemplo, um relé configurado para 30 A a +20°C pode operar a 27 A se a temperatura do gabinete atingir +40°C.

   Evidência: O exame termográfico dos gabinetes de controle revela temperaturas de +40°C...+55°C. Os dados históricos mostram um aumento no número de viagens durante o período quente do ano ou em determinadas lojas (por exemplo, fundição, térmica).

2. Incompatibilidade entre o perfil de carga e a classe de operação do relé (probabilidade 30%)

   Gist: Alguns processos tecnológicos são caracterizados por picos de carga de curto prazo (por exemplo, iniciar um transportador pesado, operação cíclica de uma prensa, carregar um britador). Esses picos podem ser significativos (150-200% da corrente nominal), mas sua duração é muito curta para o superaquecimento do motor. No entanto, se o relé térmico tiver uma classe de disparo baixa (por exemplo, classe 10A, o que significa DSTU EN IEC 60947-4-1:2020 disparando por 2 a 10 segundos a 7,2 vezes a corrente), ele poderá desarmar o motor durante esses picos.

   Evidência: A análise das formas de onda da corrente com um registrador de qualidade de energia (como um Fluke 435 Série II) mostra picos regulares de corrente de curto prazo que excedem a configuração do relé, mas não são uma sobrecarga sustentada. O motor não mostra sinais de superaquecimento.

3. Erros na seleção e configuração do relé (probabilidade 20%)

   Essência: A seleção incorreta do relé térmico de acordo com a faixa de corrente ou configuração incorreta de sua configuração é causa direta de falsos alarmes. O relé deve ser selecionado de forma que sua faixa de ajuste inclua a corrente nominal do motor, e a configuração seja definida em 1,05-1,15 da corrente nominal do motor (depende do fator de serviço do motor). Muitas vezes ocorre uma situação quando o relé é projetado para 100% da corrente nominal, o que não deixa margem para flutuações normais de operação.

   Evidência: verificar a placa de identificação do motor e compará-la com as configurações do relé revela uma discrepância. Por exemplo, a corrente nominal do motor é 40 A e o relé está ajustado para 38 A. Falta de documentação clara sobre a seleção e configuração do equipamento.

4. Degradação de isolamento e resistências transitórias (probabilidade 10%)

   Gist: Com o tempo, especialmente em condições de vibração, alta umidade ou ambientes quimicamente agressivos, os contatos e terminais do relé podem oxidar, o que leva a um aumento na resistência transitória. Um aumento na resistência provoca aquecimento local no ponto de contato, o que afeta adicionalmente os elementos bimetálicos do relé, obrigando-o a operar mais cedo. A degradação do isolamento na fiação do motor também pode criar correntes de fuga ou aquecimento localizado.

   Evidência: A medição da resistência dos contatos do relé (microohmímetro) mostra >100 µΩ, enquanto os novos contatos são <50 µΩ. Uma inspeção visual revela vestígios de oxidação ou superaquecimento nos terminais. As medições de isolamento com um megôhmetro (por exemplo, Fluke 1587 FC) podem revelar falhas ou uma diminuição na resistência de isolamento para 1-5 MΩ (normal >100 MΩ).

6. Ações corretivas: soluções imediatas e de longo prazo

Para eliminar efetivamente os falsos acionamentos do relé térmico, é necessário aplicar um conjunto de ações corretivas:

6.1. Para aumento da temperatura ambiente:

• Imediato: Abertura da porta do quadro de controle (solução temporária que viola a segurança), instalação de ventilador temporário.
• Longo prazo: Instalação de sistemas de ar condicionado industrial para armários de controle (ex. Rittal Blue e+), utilização de ventiladores com filtros para circulação forçada de ar. Afastar os armários de fontes de calor. Utilização de relés térmicos com compensação de temperatura.

6.2. Para incompatibilidade de perfil de carga:

• Imediato: Aumento temporário da configuração da corrente do relé (com ajuste subsequente obrigatório), monitoramento de corrente.
• Longo prazo: Utilização de relés térmicos com classe de disparo superior (por exemplo, classe 20 ou 30 para motores de partida pesados). Instalação de soft starters ou conversores de frequência para reduzir correntes de partida. Otimização do processo tecnológico para suavizar picos de carga.

6.3. Para erros de seleção e configuração:

• Imediato: Verifique e ajuste a configuração da corrente do relé de acordo com a corrente nominal do motor e seu fator de serviço (geralmente configuração = corrente nominal do motor * 1,1).
• Longo prazo: Desenvolvimento de instruções padronizadas para seleção e ajuste de relés térmicos para diferentes tipos de motores e cargas. Treinamento regular de pessoal técnico e de engenharia. Realização de uma auditoria energética para determinar com precisão o perfil real de carga.

6.4. Para degradação de isolamento e resistências transitórias:

• Imediato: Limpeza completa dos grupos de contato, aperto das conexões dos terminais com observância do momento de aperto (por exemplo, 2,5 Nm para terminais até 2,5 mm²).
• Longo prazo: Inclusão no plano PPR de verificações regulares do estado dos contactos, isolamento e substituição de relés desgastados. Utilização de terminais com pinças de mola para maior confiabilidade.

7. Lista de verificação de diagnóstico rápido para técnicos de campo

Este checklist foi elaborado para um diagnóstico rápido e eficaz das causas de falsos acionamentos do relé térmico diretamente no local de operação. Recomenda-se a utilização de um tablet portátil para entrada de dados.

1. Inspeção visual: Verifique o gabinete de controle e o motor quanto a danos visíveis, contaminação, vestígios de superaquecimento, indicadores defeituosos.
2. Temperatura ambiente: Meça a temperatura dentro do gabinete de controle e do ar ambiente próximo ao motor (termômetro infravermelho).
3. Corrente de carga: Meça a corrente operacional real do motor em todas as três fases (pinça de corrente, por exemplo, Fluke 376 FC). Registre os valores máximo e mínimo para um ciclo de trabalho completo (pelo menos 30 minutos).
4. Configuração do relé: Verifique a configuração atual no relé térmico.
5. Dados nominais do motor: Leia a corrente nominal e a classe de isolamento na placa de identificação do motor. Calcule a configuração de relé recomendada.
6. Tensão de alimentação: Meça a tensão entre fases e entre fases e zero (multímetro). Verifique se há desalinhamento de fase (<2%).
7. Estado dos contatos: Desligue a energia! Verifique a confiabilidade das conexões dos terminais, a ausência de oxidação ou enfraquecimento. Se necessário, aperte todos os terminais.
8. Padrão térmico: Realizar termografia do motor (carcaça, mancais), caixa de ligação, cabos de potência e do próprio relé térmico sob carga. Procure por “pontos quentes”.
9. Histórico de disparos: Colete informações sobre disparos anteriores (data, hora, condições de operação, alterações no processo tecnológico).
10. Vibração: Meça o nível geral de vibração do motor (vibrômetro) para descartar causas mecânicas de sobrecarga.
11. Verificação da ventilação: Avalie a eficácia da ventilação do gabinete de controle e do resfriamento do motor.
12. Distorção Harmônica: Se houver suspeita, meça o fator de distorção não linear da corrente (THDi) usando um analisador de qualidade de energia (deve ser <10%).

8. Estratégia de prevenção: Aumentar a fiabilidade do sistema

Uma estratégia eficaz para prevenir a falsa ativação de relés térmicos inclui um conjunto de medidas destinadas a otimizar o projeto, instalação, operação e manutenção:

• Projeto e seleção:
  • Margem de corrente: Sempre selecione um relé térmico com uma pequena margem no limite superior da faixa de regulação, de modo que a corrente nominal do motor seja 85-95% do limite superior.
  • Classe de operação: Leve em consideração a classe de operação do motor e a carga específica. Para motores com partida difícil ou picos de carga cíclicos, utilize relés Classe 20 ou Classe 30.
  • Compensação de temperatura: Prefira relés bimetálicos com compensação de temperatura integrada ou utilize relés eletrônicos em condições de flutuações significativas na temperatura ambiente.
• Montagem e instalação:
  • Ventilação do gabinete: Garanta a circulação de ar adequada dentro dos gabinetes de controle. Instalar ventiladores industriais com filtros ou sistemas de ar condicionado para manter uma temperatura não superior a +30°C.
  • Separação de fontes de calor: Coloque os relés térmicos longe de outros componentes que gerem calor significativo (por exemplo, transformadores, resistores).
  • Qualidade das conexões: Use extremidades de cabo de alta qualidade, use chaves de fenda para apertar as conexões dos terminais de acordo com as recomendações do fabricante.
• Monitoramento de Condições:
  • Sistemas SCADA: Implementação de sistemas SCADA ou controladores industriais (CLP) para monitoramento constante da corrente do motor, temperatura do enrolamento (através de sensores PT100), temperatura do gabinete de controle.
  • Pesquisas termográficas: Pesquisas termográficas regulares planejadas de todos os gabinetes de controle e motores elétricos (uma vez a cada 6 a 12 meses) para detecção precoce de superaquecimento.
  • Análise da qualidade da energia: Verificação periódica da presença de distorções harmônicas na rede, que podem causar aquecimento adicional.
• Manutenção e treinamento:
  • MRP: Incluir no plano MRP inspeção regular, limpeza e, se necessário, substituição de relés térmicos (a cada 5-7 anos para bimetálicos, dependendo das condições de operação).
  • Calibração: Verificação da calibração dos instrumentos de medição utilizados para configurar o relé.
  • Treinamento de pessoal: Realização de treinamentos regulares para técnicos e engenheiros sobre os princípios de operação de relés térmicos, métodos de diagnóstico e ações corretivas.

9. Conclusão

O funcionamento eficiente dos relés térmicos é extremamente importante para garantir a operação ininterrupta e segura dos equipamentos industriais. Uma abordagem sistemática para a análise das causas raízes dos falsos positivos, que inclui diagnósticos completos, ações corretivas e uma estratégia de prevenção, permite aumentar significativamente a confiabilidade dos processos de produção. Investir na seleção correta dos equipamentos, na otimização das condições operacionais e na manutenção qualificada compensa, pois reduz o tempo de inatividade e prolonga a vida útil de equipamentos caros.

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10. Links

• DSTU EN IEC 60947-4-1:2020. Os dispositivos de distribuição de baixa tensão estão completos. Parte 4-1: Contatores e partidas de motores elétricos. Contatores e partidas eletromecânicas.
• DSTU ISO 10816-3:2006. A vibração é mecânica. Avaliação da vibração da máquina com base em resultados de medição em peças estacionárias. Parte 3: Máquinas industriais com potência nominal superior a 15 kW, operando em velocidades entre 120 rpm e 15.000 rpm, instaladas sobre fundações flexíveis ou rígidas.
• Manuais de operação e manutenção de motores elétricos e relés térmicos dos principais fabricantes (por exemplo, Siemens, Schneider Electric, Eaton).
• Mankis, SE (2012). Guia para operação e reparo de motores elétricos. Moscou: Energoatomizdat.