cc vs ca en ansayos

Pruebas de aislamiento de CD versus CA en máquinas eléctricas rotativas

Oscar Núñez Mata, MBA.

Ingeniero Electricista Consultor en Máquinas Eléctricas

Profesor Escuela Ingeniería Electromecánica del TEC [email protected]

T+ (506) 8919 1408 PO Box 1860-7050

Resumen

Varios estudios a nivel internacional, han demostrado que en motores eléctricos el 40% de las fallas se producen en el sistema de aislamiento. En generadores no se conocen datos, pero se pueden asumir muy similares. Este sistema es fundamental para la correcta operación de la máquina, por lo que se deben conocer y desarrollar pruebas que anticipen las fallas. Las pérdidas económicas durante el tiempo de parada de una máquina son muchas, y generalmente difíciles de estimar. Es así como los responsables de la operación de las máquinas eléctricas deben estar actualizados con las últimas técnicas disponibles para probar el sistema de aislamiento, y hacer la mejor selección, de manera que se aumente la confiabilidad. Cerca del 80% de las pruebas desarrolladas en máquinas eléctricas son para verificar su sistema de aislamiento [1]. La mayoría de los servicios eléctricos son en corriente alterna, sea 60Hz ó 50Hz, por esta razón, es que se supondría que la mayoría de las pruebas al sistema de aislamiento son en corriente alterna, pero no es así, las pruebas en corriente directa dominan sobre las otras. El presente trabajo se concentra en máquinas de bajo voltaje, hasta 1000 Voltios, dejando de lado los equipos de mediana tensión (1001-34.500 Voltios), revisa las pruebas disponibles en Corriente Alterna y Directa.

________________________________________________________________ 1.0 INTRODUCCIÓN Las máquinas eléctricas rotativas tienen un valor incalculable para el desarrollo alcanzado por el hombre, por sus múltiples aplicaciones y versatilidad. El generador suministra la energía eléctrica necesaria para las diversas aplicaciones diarias; el motor eléctrico entrega la fuerza motriz y hoy día mueven la industria. Si se operan

1 Fuente: Cadick Corp. “Technical Bolletin 12a: Principles of Insulation Testing”. Disponible en www.cadickcorp.com .

adecuadamente, las máquinas rotativas pueden alcanzar 20 años o más de operación antes de requerirse una reparación mayor, como puede ser el reemplazo de los bobinados. Antes de entregar una máquina, el fabricante debe desarrollar pruebas que verifiquen la fuerza dieléctrica del aislamiento, esto con el fin de asegurar que ésta no bajará a niveles peligrosos. La fuerza dieléctrica es el campo eléctrico máximo que puede resistir un material sin que se produzca rotura. Sin embargo, cuando la máquina eléctrica se somete a sobrecarga térmica, exposición a persistente contaminación, u otros factores externos pueden sufrir fallas prematuras, al acelerarse la reducción de su fuerza dieléctrica. Desde hace mucho tiempo se intentan desarrollar pruebas que identifiquen y anticipen las fallas, de manera que los responsables del buen funcionamiento de las máquinas eléctricas corrijan la causa raíz de la falla, y así pueda seguir operando dentro de los parámetros normales. El sistema de aislamiento de la máquina no escapa a sufrir fallas, por lo que es posible incrementar la confiabilidad de éste por medio de pruebas específicas, las cuales serán evaluadas en este trabajo. El tiempo óptimo para el reemplazo del bobinado puede ser planeado, sin embargo debe responder a la combinación de múltiples pruebas, a la inspección visual, y al historial del motor. Las pruebas que se describirán son las Fuera de Línea (Off-Line), las pruebas En Línea (On-Line) no serán evaluadas. Las pruebas que se analizarán combinan técnicas en Corriente Directa (DC) y Corriente Alterna (CA). Las pruebas fuera de línea son usadas para localizar y determinar la severidad o riesgo de la falla, para mejores resultados se recomienda que la máquina se encuentre aislada de la fuente de alimentación, que las fases se prueben por separado y algunas requieren remover el rotor. Existen varias ventajas de las pruebas fuera de líneas, entre ellas están:

• Fácil acceso para el personal de mantenimiento. • Gran variedad para medir diferentes parámetros. • Al estar el equipo apagado se hace en un ambiente controlado, libre de ruido.

Dentro de las desventajas se tienen las siguientes: • No toman en cuenta el estrés mecánico, térmico ni de voltaje a que puede ser

sometido la máquina en operación. • Pueden existir problemas de programación de las pruebas al requerirse la

máquina apagada. El sistema de aislamiento de la máquina sufre un proceso natural de envejecimiento, el cual puede acelerarse por elementos externos. El grafico siguiente muestra lo que sucede normalmente con el paso del tiempo. Figura 1 Comportamiento normal de la fuerza dieléctrica de un aislante Fuente: Baker Instrument Company. “Seminario Mantenimiento de Maquinas Rotativas Off Line”. Octubre 2002, Fort Collins, CO, pp 9

OOttrraass ((1122%%))

RRoottoorr ((1100%%))

RRooddaammiieennttooss ((4411%%))

EEssttaattoorr ((3377%%))

2.0 FALLAS EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS La mayoría de fallas en máquinas eléctricas son:

• Predecibles: Por que existen técnicas que las pueden anticipar. • Repetibles: Por que el patrón de falla normalmente se repite. • Prevenibles: Por que con acciones concretas se pueden evitar. • Y, usualmente, reparables ya que algunas son catastróficas, lo que implica el

cambio por una máquina nueva. La primera clasificación de las fallas de origen eléctrico es la siguiente: Fallas No controladas por el usuario: -Defectos de fabricación -Eventos atmosféricos severos. Fallas Controladas por el usuario: -Inadecuada aplicación. -Influencia del ambiente.

-Condiciones del servicio eléctrico: Alto-bajo-des balance de voltaje, pérdida de fase, corrientes armónicas.

-Deficientes prácticas de Mantenimiento. Resumimos las causas de fallas eléctricas en:

• Sobrecargas térmicas. • Severas anormalidades eléctricas. • Contaminación del sistema de aislamiento.

Un estudio desarrollado por IEEE en 1985 encontró que en el estator se dan cerca del 40% de las fallas en motores eléctricos, no se tienen datos para generadores, pero por la similitud con el motor, se pueden asumir datos similares. Esto quiere decir que los responsables de la correcta operación de las máquinas, deben prestar especial atención a este sistema, por medio de acciones que anticipen su falla. Figura 2 Estudio de fallas en motores eléctricos en USA-1985 Fuente: IEEE, Transactions on Industry Applications, Vol. IA-21, No. 4, July-Aug 1985.

2.0 TEORÍA DE LAS PRUEBAS DE AISLAMIENTO EN CD Y CA 2.1 PRUEBAS EN CORRIENTE DIRECTA

Cuando se prueba un bobinado con corriente directa, la distribución se basa en la Resistencia de Aislamiento, la cual es función de la geometría de la bobina en prueba y la resistividad del recorrido de la corriente. Se aplica un voltaje directo entre la bobina y tierra, usando un amperímetro de CD se mide la corriente total, y por Ley de Ohm obtenemos la resistencia de aislamiento:

fugaprueba IVIR /= Donde: IR: Resistencia de Aislamiento (Del inglés Insulation Resistance). Si se aplica la fórmula general de resistencia, se encuentra que:

ALIR /ρ= Donde: ρ: Resistividad de los materiales del camino, combina todos lo materiales presentes. L: Longitud del camino. A: Área de la sección transversal del camino. En vista que la resistividad de los materiales contaminantes presentes son bajas (Aceite, agua, polvo, fibras naturales), la resistividad del camino de la corriente en un bobinado contaminado es igualmente baja, lo que produce una IR baja, y por lo tanto obtenemos una alta corriente de fuga. La resistividad de los materiales aislantes es muy alta, y tiende a la baja con el aumento de la temperatura. Esta propiedad hace que las pruebas en CD sean útiles para encontrar contaminación dentro del sistema de aislamiento. La interpretación de los resultados es difícil y muchas producen confusión, ya que primero se debe descartar que la causa raíz de una baja Resistencia de Aislamiento se deba a alta contaminación, para luego pensar que es debido a un avanzado deterioro térmico. Dependerá mucho de los tipos de materiales aislantes utilizados en la máquina, por ejemplo: La mica es un material que tiene virtualmente una resistividad muy alta (Tiende a infinito). Analizar una máquina que incluya mica como uno de sus materiales aislantes, presenta algunas dificultades cuando se usan técnicas en corriente directa.

PRUEBAS EN CD ENCUENTRAN: Contaminación, Humedad, Severo Deterioro.

A continuación se muestra el diagrama de la prueba.

Figura 3 Prueba en Corriente Directa Ifuga - VDC IR=Vprueba/Ifuga + Fuente: El autor. 2.2 PRUEBAS EN CORRIENTE ALTERNA Al aplicar voltaje de corriente alterna a una bobina en prueba, conectando este entre los terminales de la bobina y la tierra, la capacitancia del bobinado domina en la corriente de fuga. La capacitancia tiene la siguiente fórmula:

dAC /ε= Donde: C: Capacitancia de la bobina. ε: Permitividad dieléctrica del material aislante. A: Área de la sección transversal. d: Espesor del material. El valor de la permitividad del sistema de aislamiento se afectará grandemente por la presencia de vacíos (Huecos) y agua. Por esta razón, las pruebas en corriente alterna son aplicadas a todos los tipos de materiales aislantes.

PRUEBAS EN CA ENCUENTRAN: Humedad y Presencia de Vacíos.

A continuación se muestra el diagrama de la prueba. Figura 4 Prueba en Corriente Alterna Itotal VCA Ic Ir

Fuente: El autor. La corriente total se divide en dos componentes: Una capacitiva y otra resistiva. Se ha establecido que la relación entre ambas componentes será:

AISLAMIENTO EN BUEN ESTADO: Ic > 100 veces Ir Ic adelanta a Ir cerca de 90°

AISLAMIENTO MARGINAL: Ic > 50 veces Ir Ic adelanta a Ir menos de 80°

Finalmente, en vista de las diferentes capacidades de las pruebas en CD y CA, se recomienda realizar ambo tipos para una más completa evaluación de la condición de un sistema de aislamiento de una máquina eléctrica rotativa. La figura siguiente ilustra esta situación: Figura 5 Componentes de corriente en la prueba de CA Fuente: Cadick Corp. “Technical Bolletin 12a: Principles of Insulation Testing”. Disponible en www.cadickcorp.com .

Las pruebas en corriente alterna tienen dos problemas significativos, que promueven más a las de corriente directa, que no tienes los inconvenientes siguientes:

- Las pruebas muestran cierta ambigüedad, ya que un bobinado bueno o marginal (En el límite aceptable) tienen altas capacitancias, esto es Ic muy altas, por lo que la interpretación de resultados puede ser complicada, es muy difícil separar ambas componentes de la corriente total. En bobinados extremadamente malos los resultados de las pruebas en CA son contundentes.

- La cantidad de corriente que fluye en las pruebas de CA es muy superior a pruebas en CD, requiriendo equipos más grandes, con volúmenes y pesos significativos, en comparación con los de CD.

3.0 PRUEBAS DE AISLAMIENTO EN CORRIENTE DIRECTA 3.1 Resistencia de Aislamiento (Estándar 43 de IEEE) La prueba de resistencia de aislamiento se realiza con voltaje directo. Esta se ve influenciada por el sistema de aislamiento del bobinado en prueba. Su comportamiento

lo determina la Ley de Ohm [2]:total

prueba

IV

IR =

Por medio de esta prueba se determina los siguientes problemas:

2 Fuente: IEEE Power Engineering Society. “Std 43-2000: Recommended practice of testing

insulation resistance of rotating machinery”. IEEE Press, New York, 2000, pp 19.

- Contaminación.

- Humedad.

- Severos daño en el aislamiento.

La corriente Itotal puede descomponerse en 4 componentes:

- Corriente de fuga (Leakeage current IL): Es lineal y depende de la cantidad de contaminación y/o humedad en la superficie del aislamiento. Su valor es alto en motores muy contaminados.

- Corriente capacitiva (Capacitance current IC): Es no lineal. Muestra un valor alto al inicio de la prueba y decae a cero. Normalmente baja a cero en el primer minuto, por eso la prueba de resistencia de aislamiento debe durar al menos un minuto. Se conoce como la corriente de carga y es propiedad de la capacitancia geométrica del bobinado.

- Corriente de conductancia (Conductance current IG): Es lineal y depende del tipo de material aislante. Para aislamiento epóxico es casi cero, para otros como asfalto y poliéster es levemente mayor a cero.

- Corriente de absorción (Absorption current IA): Es no lineal. Está relacionada con la energía absorbida por los enlaces covalentes de las moléculas orgánicas aislantes y al desplazamiento de las mismas por la presencia de un campo eléctrico.

Figura 6 Circuito equivalente de una prueba de aislamiento en CD.

Fuente: IEEE Power Enginnering Society. “Std 43-2000: Recommended practice of testing insulation resistance of rotating machinery”. IEEE Press, New York, 2000, pp 5.

La figura siguiente ilustra el caso de un aislamiento específico con moderada corriente de fuga.

Figura 7 Distribución de corrientes para un aislamiento de Asfalto-Mica.

Fuente:IEEE Power Enginnering Society. “Std 43-2000: Recommended practice of testing insulation resistance of rotating machinery”. IEEE Press, New York, 2000, pp 7.

Hay varios factores que afectan la resistencia de aislamiento. Por ejemplo, la magnitud de la corriente de fuga IL es afectada por agentes contaminantes como aceite, carbón, polvo y/o humedad que se aloja en la parte externa del bobinado. La corriente de fuga puede alcanzar valores altos con la presencia de estos agentes. Estos elementos generalmente son conductores que reducen la resistencia de aislamiento. Cuado el bobinado está limpio y seco la niveles de la corriente de fuga son bajos. La figura siguiente muestra el condensador que se forma durante la prueba de resistencia de aislamiento. Con contaminantes la capacitancia del conjunto bobinado-contaminantes-carcasa aumenta, con posibilidad de alcanzarse la rotura dieléctrica con voltajes más bajos. Todo lo contrario pasa si el bobinado está seco y limpio.

Figura 8 Componentes de una prueba de aislamiento

Fuente: Alman, D. “Fault zone analysis: Insulation”. Pdma Corp. Presented at the 2004 Motor Reliability Technical Conference USA, pp 5.

El otro factor que afecta la prueba es la temperatura del bobinado, por lo que se recomienda la medición de temperatura durante la prueba, y corregir el resultado para hacer comparaciones en el tiempo, por medio de la siguiente fórmula:

IRc=Kt * IRt

Donde:

IRc=Resistencia de aislamiento corregida a 40°C.

IRt=Resistencia de aislamiento medida a una temperatura T en °C.

Kt=factor de corrección, igual a: Kt=(0.5)(40-T)/10

El voltaje de prueba está definido por la norma IEEE 43-2000, y este depende del voltaje de operación de la máquina.

Figura 9 Guía para escoger el voltaje de prueba para resistencia de aislamiento.

Voltaje de operación (V) Voltaje de prueba (VDC)

<1000 500

1000-2500 500-1000

2501-5000 1000-2500

5001-12000 2500-5000

>12000 5000-10000 Fuente: IEEE Power Enginnering Society. “Std 43-2000: Recommended practice of testing insulation resistance of rotating machinery”. IEEE Press, New York, 2000, pp 7.

Los valores mínimos de resistencia de aislamiento también los define IEEE.

Figura 10 Valores mínimos recomendados de resistencia de aislamiento


3.2 Alto potencial en CD- Hi Pot (Estándar 95 de IEEE)

Después que el bobinado ha pasado las pruebas de resistencia de aislamiento se pueden realizar pruebas de alto potencial en corriente directa a tierra. El objetivo es determinar sí el bobinado resiste el alto estrés causado por el voltaje de prueba. Se espera que si el bobinado presenta algún defecto o debilitamiento se dispare durante la prueba. Para bobinados en buen estado esta prueba no representa peligro de daño permanente.

Los equipos de Hi Pot tienen una indicación de DISPARO, esto quiere decir que no pasa las pruebas. Hay dos procedimientos según el tipo de motor en prueba [3]:

- Motor nuevo o rebobinado: Se aplica (1.7 veces Voltaje del motor) VDC.

- Motor en mantenimiento: Se aplica (1.25 a 1.35 veces Voltaje del motor) VDC.

El voltaje se puede aplicar en una rampa o en pasos. La curva típica que se obtiene aparece en la figura siguiente.

Figura 11 Curva de una prueba de Hi Pot

Fuente: Warren, V. “Electrical tests to assess motor winding insulations systems”. EASA Convention Las Vegas, Nevada, USA, June 27 2006, pp 8.

3 Fuente: EASA Technical Group. “A guide to AC motor repair and replacement”. St. Louis, MO, 1999,

pp 18.

Cuando se produce un súbito aumento de corriente, con un pequeño aumento de voltaje, se dice que se da una condición de avalancha y el equipo da la indicación de DISPARO. Si la prueba se realizó con el bobinado seco y limpio se puede concluir que el bobinado presenta un problema, conclusión: El motor no puede volver a operación.

3.3 Descarga dieléctrica.

Esta prueba fue desarrollada por la compañía EDF de Francia luego de años de investigación [4]. La prueba mide la corriente que fluye durante la descarga de la bobina en prueba. La carga es almacenada durante la prueba de aislamiento. La carga capacitiva es descargada hasta que el voltaje cae a cero. En esta prueba el efecto de la corriente de fuga es despreciable. Sólo afecta la corriente inversa de absorción. La figura siguiente ilustra el fenómeno.

Figura 12 Distribución de corriente en una prueba de descarga dieléctrica Fuente: Megger Company. “Guide to diagnostic insulation

testing above 1kV”. Disponible en www.megger.com, consultada el 18 de septiembre de 2006, pp 21.

El bobinado en prueba se carga durante 10-30minutos al voltaje de prueba. En el momento que el voltaje es removido el bobinado se descarga por medio del instrumento utilizado para la prueba. Después de 60 segundos el flujo que permanece es medido. Por medio de la siguiente fórmula se obtiene el factor de descarga dieléctrica:

ciaCapaciVoltajeCorrienteDD

tan*min1@

=

Los valores obtenidos son analizados e interpretados de la siguiente manera:

Figura 13 Prueba de descarga dieléctrica

Fuente: Megger Company. “Guide to diagnostic insulation testing above 1kV”. Disponible en www.megger.com, consultada el 18 de septiembre de 2006, pp 23.

4 Fuente: Megger Company. “Guide to diagnostic insulation testing above 1kV”. Disponible en www.megger.com, consultada el 18 de septiembre de 2006, pp 21.

DD Condición del aislamiento

> 7 Malo

4-7 Pobre

2-4 Cuestionable

<2 Bueno

Cuando hay una capa defectuosa entre dos capas buenas, su resistencia de fuga decrecerá mientras que la capacitancia probablemente permanece igual. Una prueba normal de aislamiento se determinará por las capas buenas, y probablemente no revele esta condición. Pero durante la descarga dieléctrica, la constante de tiempo de la capa defectuosa desemparejará con las otras para producir un valor DD más alto. Un valor DD bajo indica que la corriente de reabsorción decae rápidamente, y la constante de tiempo es similar. Un valor alto indica que la reabsorción exhibe tiempos de relajación largos, que pueden apuntar hacia un problema.

3.4 Medición de resistencia óhmica (Estándar 92 de IEEE).

La aplicación de la prueba de resistencia del bobinado debe tomar en cuenta los valores esperados para escoger el instrumento, esto es:

1. Bobinados con resistencias < 1Ω: Se debe usar la técnica de 4 puntas (Puente Wheastone).

2. Bobinados con resistencias > 1Ω: Se pueden usar multímetro convencional o la técnica de 4 puntas.

El problema de medir bobinados con valores menores a 1Ω es que la resistencia de contacto introduce un error significativo que puede conducir a interpretaciones equivocadas. Bobinados con valores mayores a 1Ω el error por resistencia de contacto es despreciable.

Figura 14 Resistencia de contacto en medición de resistencia Fuente: Baker Instrument Company. “Seminario Mantenimiento de Maquinas Rotativas Off Line”. Octubre 2002, Fort Collins, CO, pp 1.

Los datos obtenidos deben ser interpretados. Cuando se hacen mediciones periódicas se deberán hacer a la misma temperatura. Los datos de prueba pueden ser analizados de la siguiente forma:

1. Valor de resistencia alta en una fase: Puede indicar bobinas abiertas o pobres conexiones.

2. Valor de resistencia baja en una fase: Puede indicar bobinas con corto entre vueltas.

3. Cambios en las tendencias deben ser investigados hasta encontrar las causas.

Cuando se hacen comparaciones entre las fases se sugiere que las diferencias deben estar dentro de los siguientes rangos, según el tipo de bobinado [5]:

1. < 1% Para bobinado preformado. 2. < 3% Para bobinado aleatorio.

3.5 Prueba del Índice de Polarización (Estándar 43 de IEEE).

La Prueba del Índice de Polarización (PI del inglés Polarization Index) es una razón entre la resistencia de aislamiento a 10 minutos y a 1 minuto [6]:

min1@Remin10@Re

islamientosistenciaAislamientosistenciaAPI =

La interpretación de la prueba aparece en la norma IEEE 43-2000:

Figura 15 Valores mínimos recomendados para la prueba de PI

Aislamiento del bobinado

PI

Clase A 1.5

Clase B 2.0

Clase F 2.0

Clase H 2.0


El PI mide el tiempo requerido por las moléculas del aislamiento para polarizarse y resistir el flujo de corriente. Las moléculas en reposo están orientadas aleatoriamente según la parte superior de la figura 16. Cuando del material aislante es colocado en un campo eléctrico las moléculas se alinean. El tiempo requerido para el alineamiento ayudar a dar un diagnóstico de la condición del aislamiento.

5 Fuente: Warren, V. “Electrical tests to assess motor winding insulations systems”. EASA Convention Las Vegas, Nevada, USA, June 27 2006, pp 8. 6 Fuente: IEEE Power Enginnering Society. “Std 43-2000: Recommended practice of testing

insulation resistance of rotating machinery”. IEEE Press, New York, 2000, pp 7.

Figura 16 Moléculas de un material aislante

Fuente: Young, C. “Use polarization index test to determine condition/health of motor insulation”. EASA Currents magazine, Vol. 34, No 9, September 2000, pp 3.

Se puede graficar los valores de la prueba, ver la figura siguiente. En ella se muestra el efecto de la humedad y contaminación. En caso de aislamientos contaminados y húmedos la corriente de fuga dominará, obteniéndose un PI bajo. Para aislamientos secos y limpios la corriente que dominará será la de absorción por lo que la prueba efectivamente medirá la condición del bobinado.

Figura 17 Curva típica de una prueba de PI


Ya que la prueba de PI establece un voltaje de prueba en corriente directa entre la bobina y la carcasa, ésta se ve influenciada por el tipo de bobinado: Aleatorio o preformado. El PI es útil para bobinado preformado, más que para bobinado aleatorio [7].

7 Fuente: Young, C. “Use polarization index test to determine condition/health of motor

insulation”. EASA Currents magazine, Vol. 34, No 9, September 2000, pp 3.

Cuando se obtienen valores mayores a 5000MΩ en el primer minuto de la prueba se considera que la misma deja de ser útil ya que la variación de resistencia de aislamiento entre 1 y 10 minutos es muy poca.

4.0 PRUEBAS DE AISLAMIENTO EN CORRIENTE ALTERNA 4.1 Prueba de impulso Surge Test (Estándar 522 de IEEE, se practica desde 1926).

Cuando el motor se arranca se generan impulsos de alta frecuencia que puede afectar el aislamiento en los finales de bobina, el bobinado es sometido a un alto estrés eléctrico que en sistemas debilitados, contaminados o envejecidos pueden no ser soportado. Si el aislamiento falla en este momento el motor se quemará en pocos segundos o minutos. Es así como el aislamiento entre vueltas es crítico para el motor. Otras pruebas de bajo voltaje como de inductancia o impedancia inductiva pueden detectar aislamiento en corto, pero no aislamientos debilitados [8].

La única prueba capaz de encontrar deterioro en el aislamiento entre vueltas es la prueba de impulso. Consiste en aplicar un tren de impulsos de alto voltaje a la bobina de prueba para determinar si el aislamiento entre vueltas soporta la condición de estrés. La prueba es válida para bobinado aleatorio o preformado. Luego de aplicar la prueba a cada fase del bobinado trifásico, las 3 ondas obtenidas se grafican juntas y se analiza de la siguiente forma:

1. Si las ondas están en fase el bobinado no presenta cortos.

2. Si se da un corrimiento hacia la izquierda de alguna fase existen cortos en esa fase.

Muchas fábricas aplican esta prueba durante el proceso de fabricación de máquinas eléctricas como parte del control de calidad previo a la impregnación del bobinado. La prueba de impulso duplica los impulsos de arranque del motor, por lo tanto es una condición severa y no debe ser aplicada periódicamente. Otras condiciones donde el bobinado puede ser sometido a altos niveles de impulso son: Alimentación del motor con un variador de velocidad tipo PWM (Modulación por ancho de pulso); transitorios producidos por el sistema de alimentación eléctrica del motor.

Estos equipos se conocen también como probadores por comparación de impulsos ya que la prueba se realiza a las 3 fases del motor y luego se comparan entre sí. El principio de la prueba es el siguiente [9]:

1. El período de la onda obtenida en la es: τ = √LC, donde L es la inductancia y C la capacitancia de la bobina en prueba.

2. Se puede aproximar: L α N2, donde N es el número de vueltas de la bobina de prueba.

3. Entonces: τ α N.

Cuando hay corto entre vueltas el número de vuelta N se reduce y el período de acorta, indicando que el bobinado tiene un defecto. La figura siguiente muestra el principio de 8 Fuente: Idem 7, pp 10. 9 Fuente: Baker Instrument Company. “Seminario Mantenimiento de Maquinas Rotativas Off Line”.

Octubre 2002, Fort Collins, CO, pp 17.

operación del equipo donde un condensador es cargado y descargado en la bobina de prueba por medio de una llave. La onda que muestra la pantalla del instrumento aparece en la figura 18, el eje X es tiempo en microsegundos, y el Y es voltaje de la bobina.

La figura 18 muestra cómo se distribuye un impulso de 900VDC en un bobinado de prueba compuesto por 9 bobinas, cada una con cierta cantidad de vueltas. Sí el bobinado no tiene cortos entre vueltas se espera que cada bobina mida 100VDC. Pero en un bobinado dañado la distribución es no uniforme debido a los cortos.

Figura 18 Prueba de impulso a bobinados

Fuente: Baker Instrument Company. “Seminario Mantenimiento de Maquinas Rotativas Off Line”. Octubre 2002, Fort Collins, CO, pp 15

Los instrumentos para hacer pruebas de impulso presentan los resultados en una pantalla como lo muestra la 19. La primera figura es un bobinado bueno donde las 3 ondas de cada fase tienen el mismo patrón de comportamiento. La segunda es un ejemplo de un bobinado dañado con un corto entre vueltas, lo que produce un período distinto en una de estas. Los voltajes de prueba son los mismos que para la prueba de Hi Pot.

Figura 19 Prueba de comparación de impulsos para bobinados

Fuente: Baker Instrument Company. “Testing theories and recommendations”. Disponible en www.bakerinst.com, consultada el 6 de septiembre de 2006.

4.2 Alto potencial en CA- Hi Pot (Estándar 112 de IEEE).

Como en la prueba de alto potencial en CD, después de que un bobinado pasa las pruebas de resistencia de aislamiento, se pueden hacer pruebas de alto potencial en CA. El bobinado se somete a un alto estrés por medio de un sobre voltaje. El objetivo es que si la máquina en prueba tiene puntos débiles en su sistema de aislamiento, éste colapse durante el desarrollo de la prueba. Se aplica a máquinas durante el proceso de fabricación o reparación, y durante tareas de mantenimiento. La prueba es: Pasa y No Pasa. Es una prueba destructiva, bajo el criterio que si la máquina no soporta la misma, no está en capacidad de ponerse en operación. El estrés que provoca es similar al inducido durante la operación normal, y los voltajes de prueba recomendados son [10]:

- Motor nuevo o rebobinado: Se aplica (2*VL-L + 1kV) VAC.

- Motor en mantenimiento: Se aplica (1.5 * VL-L) VAC.

En vista que se produce un súbito aumento de corriente con un pequeño aumento de voltaje, se dice que se da una condición de avalancha y el equipo da la indicación de DISPARO.

4.3 Prueba de Capacitancia (Estándar 286 de IEEE). La presencia de vacíos dentro del sistema de aislamiento se puede definir por medio de la prueba de capacitancia, ya que estos vacíos se llenan de aire, cambiando la constante dieléctrica del sistema de aislamiento. Estos vacíos se pueden presentar

10 Fuente: Warren, V. “Electrical tests to assess motor winding insulations systems”. EASA Convention Las Vegas, Nevada, USA, June 27 2006, pp 9.

BOBINADO BUENO

BOBINADO DAÑADO

Corto entre vueltas

por un mal proceso de barnizado o por el desplazamiento del barniz durante la vida la máquina. En bobinados nuevos esta prueba es poco útil, sin embargo en máquinas antiguas la prueba puede ser útil para la detección de alta contaminación y deterioro avanzado (Conocido como de laminación el sistema de aislamiento). El siguiente criterio es útil para el análisis:

• De laminación: Capacitancia cae (Cambios de 1%).

• Contaminación: Capacitancia aumenta (Cambios de 5%).

Las pruebas se recomiendan realizar por fase. Cuando el equipo aplica el voltaje de prueba entre fase y tierra, si hay vacíos se produce la descarga, siendo detectada por el instrumento. La prueba mide la capacitancia Clv a 0.2*VL-L y también mide la capacitancia Vhv a 0.58*VL-L. La diferencia de capacitancia se mide y se calcula el C:

ΔC= (Chv-Clv)/Clv

Un C alto, es indicativo de presencia de vacíos. Para un buen sistema de aislamiento se tiene los siguientes valores recomendados:

ΔC< 1% para modernas máquinas (Después de 1970).

ΔC< 3% a 4% para máquinas antiguas.

Esta prueba tiene una mayor utilidad cuando se llevan registros en el tiempo, donde un incremento en ΔC puede indicar un incremento de vacíos en el sistema de aislamiento, fruto de un proceso de de laminación acelerado.

4.4 Factor de Disipación Tan δ (Estándar 286 y 432 de IEEE). Igual que la prueba de capacitancia, la prueba del Factor de Disipación busca cualquier cambio en el sistema de aislamiento. Esta prueba se hace en pasos, de cero hasta alcanzar el voltaje normal de fase de la máquina, entre la fase en prueba y tierra. La intención es observar incrementos en las pérdidas en potencia real debidas a la presencia de vacíos en un sistema con de laminación (Δ tan δ). En vista de que el voltaje se incrementa paulatinamente, la presencia de vacíos incrementa la actividad de descargas por medio de éstos, aumentando las pérdidas en mW. El valor absoluto del factor de disipación se calcula de la siguiente forma:

DF= tan δ=mW/mVar=IR/IC

Donde IR es la componente resistiva de la corriente total de la prueba e IC la componente capacitiva, influenciada por la presencia de vacíos.

Cuando se hacen comparaciones en el tiempo se obtiene la Δ tan δ o Δ DF. Se recomienda los siguientes criterios de análisis:

• De laminación: Δ tan δ incrementa.

• Contaminación-Humedad: tan δ aumenta.

• Sistemas de aislamiento modernos: tan δ es cercano a 0.5%.

• Sistemas de aislamiento antiguos: tan δ es 3% a 5%.

El cuidado que se debe tener con esta prueba es que algunas veces se obtienen valores ambiguos, se necesita desarrollar mediciones en el tiempo. La siguiente figura muestra la gráfica de potencias que intervienen y los ángulos.

Figura 20 Componentes de potencia de la prueba en CA

Fuente: Warren, V. “Electrical tests to assess motor winding insulations systems”. EASA Convention Las Vegas,

4.5 Factor de Potencia Cos θ (Estándar 286 y 432 de IEEE). Similar al Factor de Disipación, la prueba del Factor de Potencia busca cualquier cambio en el sistema de aislamiento. Es típico que la prueba se realiza y los resultados se comparan con otra máquina. Este procedimiento es valioso para corroborar la calidad del proceso de impregnación y curado de los bobinado nuevos. Igual que la anterior, la limitación de la prueba es que algunos resultados son ambiguos. El valor se obtiene por medio de la siguiente relación, y según la figura 20: PF= Cos θ =mW/mVA=IL/ITotal

Los criterios que se usan son: • De laminación: Δ Cos θ incrementa.

• Contaminación-Humedad: Cos θ aumenta.

• Sistemas de aislamiento modernos a base de polietileno: Cos θ cercano a 0.01%.

• Sistemas de aislamiento modernos a base de otros materiales: Cos θ 0.5%.

• Sistemas de aislamiento antiguos: Cos θ entre 3% y 5%.

La prueba de cambio del factor de potencia Δ Cos θ, conocida en inglés con Tip-up, se hace en dos voltajes, uno al 25% del voltaje de fase de la máquina, el otro al 100%. La diferencia en el factor de potencia puede interpretarse para encontrar problemas. Los valores típicos son de 0.5% para un bobinado en buen estado, en máquinas modernas.

5.0 RESUMEN DE LAS PRUEBAS EN CD Y CA. En el siguiente cuadro se resumen las diferentes pruebas estudiadas, sus características más destacadas y alcances.

Prueba Qué detecta? Efectividad Frecuencia Típica Precauciones Estándar Referencia

Hi Pot en CA Aislamiento débil Pasa/No pasa. No para tendencias

En fábrica o taller. Durante un

mantenimiento mayorPrueba Destructiva IEEE 112 y NEMA

MG-1

Impulso Aislamiento vuelta a vuelta

Buen proceso de bobinado En fábrica o taller Prueba Destructiva IEEE 522

CapacitanciaDe laminación o

inapropiado barnizado

Buen proceso de bobinado. Es posible

para tendencias

En fábrica o taller. 1-2 veces al año IEEE 286

Factor de Disipación y Δ tan δ

De laminación o inapropiado barnizado


para tendencias


Factor de Potencia y Δ Cos θ

De laminación o inapropiado barnizado


para tendencias


Hi Pot en CD Aislamiento débil Pasa/No pasa. Útil para tendencias Según sea necesario Prueba Destructiva IEEE 95 y NEMA

MG-1

Resistencia Aislamiento

Contaminación, humedad, severos

daños

Útil para decidir si máquina entra en operación. Para

tendencias

1-2 veces al año IEEE 43

Índice de Polarización

Humedad o contaminación.

Posible deterioro del aislamiento

Efectivo para tendencias 1-2 veces al año IEEE 43

Resistencia de bobinado Pobres conexiones Efectivo para

tendencias 1-2 veces al año IEEE 92

Descarga dieléctrica Posible deterioro del aislamiento

Efectivo para tendencias 1-2 veces al año

CA

CD

Figura 21 Resumen de las pruebas estudiadas Fuente: Recopilación Propia

6.0 CONCLUSIONES El responsable de la correcta operación de las máquinas eléctricas rotativas tiene a su disposición una serie de pruebas para evaluar la condición del sistema de aislamiento, cada una tiene un alcance y efectividad propia, que se deben conocer para hacer la mejor selección. Las pruebas en Corriente Directa y Alterna pueden complementarse para desarrollar un análisis completo del sistema de aislamiento, y que esto sea una herramienta útil para la toma de decisiones. La realización de las pruebas no garantiza que la máquina eléctrica se está evaluando correctamente, el responsable debe desarrollar criterio, apoyado con la normativa existente, para hacer un buen uso de los resultados.

7.0 ANEXOS Algunas fotografías de equipos de pruebas para desarrollar las pruebas estudiadas. Equipo para prueba de Capacitancia Equipo prueba Hi Pot en AC y tan δ Equipo de prueba de impulso Medidor de aislamiento, índice de

polarización

8.0 BIBLIOGRAFÍA

1. AEMC Company. “Understanding insulation resistance testing”.

Disponible en www.aemc.com, consultada el 3 de septiembre de 2006.

2. Alman, D. “Fault zone analysis: Insulation”. Pdma Corp. Presented at the

2004 Motor Reliability Technical Conference USA.

3. Baker Instrument Company. “Testing theories and recommendations”.

Disponible en www.bakerinst.com, consultada el 6 de septiembre de 2006.

4. Baker Instrument Company. “Seminario Mantenimiento de Maquinas Rotativas Off Line”. October 2002, Fourt Collins, CO.

5. Boulter, E. y Stone, G. “Historical Development of rotor and stator winding insulation materials and systems”. IEEE Electrical Insulation

magazine, Vol. 20, No. 3, may/June 2004.

6. Emery, F. “Basis of power factor measurements on HV Stator bars & stator windings”. IEEE Electrical Insulation magazine, Vol. 20, No. 3,

may/june 2004.

7. EASA Technical Group. “EASA Technical Manual”. St Louis, MO, 1996.

8. EASA Technical Group. “A guide to AC motor repair and replacement”. St. Louis, MO, 1999.

9. IEEE Power Enginnering Society. “Std 43-2000: Recommended practice of testing insulation resistance of rotating machinery”. IEEE Press, New

York, 2000.

10. IEEE Power Enginnering Society. “Std 522: Guide for testing Turn-to-Turn Insulation on Form-Wound stator coils for alternating current rotating electric machines”. IEEE Press, New York, 1992.

11. IEEE Power Enginnering Society. “Std 95-1977: Recommended practice for insulation testing of large AC rotating machinery with high direct voltage”. IEEE Press, New York, 1977.

12. Lawrie, R. “Biblioteca practica de motores elétricos”. Grupo Editorial

Oceano, Barcelona, 1987.

13. Megger Company. “Guide to diagnostic insulation testing above 1kV”.

Disponible en www.megger.com, consultada el 18 de septiembre de 2006.

14. NEMA. “Std MG-1: Motors & Generators”. NEMA Press, Washington D.C.,

1987.

15. Sears, F., Zemansky, M. y Young, H. “Física Universitaria”. 6ta edición,

Fondo Educativo Interamericano, México D.F., 1986.

16. Stone, G., Boulter E., Culbert I., Dhiran, H. “Electrical insulation for rotating machinery- Design, Evaluation, aging, testing and repair”. Wiley

IEEE Press, New York, 2004.

17. Stone, G. “Recent important changes in IEEE Motor and Generator winding insulation diagnostic testing standards”. IEEE Transactions on

Industry Applications, Vol. 41, No 1, January/February 2005.

18. Thomas, T. ¨On line and Off line testing of electric motors¨. Disponible en

www.bakerinst.com, consultada el 11 de octubre de 2006.

19. Warren, V. “Electrical tests to assess motor winding insulations systems”. EASA Convention Las Vegas, Nevada, USA, June 27 2006.

20. Young, C. “Use polarization index test to determine condition/health of motor insulation”. EASA Currents magazine, Vol. 34, No 9, September

2000.

Biografía: Oscar Núñez Mata, Ingeniero Electricista, graduado de la Universidad de Costa Rica 1993. Maestría en Administración de Empresas de la UNED, Costa Rica, 2006. Miembro del grupo de consultores de la Cámara de Industrias de Costa Rica, encargado de impartir cursos de formación sobre máquinas eléctricas, desde 2004. Instructor de Fundatec (Fundación Tecnológica), y profesor-investigador del TEC, Escuela de Ingeniería Electromecánica, encargado de impartir cursos sobre máquinas eléctricas, desde 2006. En la UCR, profesor de cursos de Máquinas Eléctricas, Escuela de Ingeniería Eléctrica. Actualmente consultor privado, especialista en reparación, asesoría y capacitación en el campo de los motores y generadores eléctricos.

cc vs ca en ansayos

Documents