Pruebas de aislamiento de CD versus CA en mquinas elctricas rotativas

Oscar Nez Mata, MBA.

Ingeniero Electricista Consultor en Mquinas Elctricas

Profesor Escuela Ingeniera Electromecnica del TEC onunezm@hotmail.com

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

Resumen

Varios estudios a nivel internacional, han demostrado que en motores elctricos 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 operacin de la mquina, por lo que se deben conocer y desarrollar pruebas que anticipen las fallas. Las prdidas econmicas durante el tiempo de parada de una mquina son muchas, y generalmente difciles de estimar. Es as como los responsables de la operacin de las mquinas elctricas deben estar actualizados con las ltimas tcnicas disponibles para probar el sistema de aislamiento, y hacer la mejor seleccin, de manera que se aumente la confiabilidad. Cerca del 80% de las pruebas desarrolladas en mquinas elctricas son para verificar su sistema de aislamiento [1]. La mayora de los servicios elctricos son en corriente alterna, sea 60Hz 50Hz, por esta razn, es que se supondra que la mayora de las pruebas al sistema de aislamiento son en corriente alterna, pero no es as, las pruebas en corriente directa dominan sobre las otras. El presente trabajo se concentra en mquinas de bajo voltaje, hasta 1000 Voltios, dejando de lado los equipos de mediana tensin (1001-34.500 Voltios), revisa las pruebas disponibles en Corriente Alterna y Directa.

________________________________________________________________ 1.0 INTRODUCCIN Las mquinas elctricas rotativas tienen un valor incalculable para el desarrollo alcanzado por el hombre, por sus mltiples aplicaciones y versatilidad. El generador suministra la energa elctrica necesaria para las diversas aplicaciones diarias; el motor elctrico entrega la fuerza motriz y hoy da mueven la industria. Si se operan

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

adecuadamente, las mquinas rotativas pueden alcanzar 20 aos o ms de operacin antes de requerirse una reparacin mayor, como puede ser el reemplazo de los bobinados. Antes de entregar una mquina, el fabricante debe desarrollar pruebas que verifiquen la fuerza dielctrica del aislamiento, esto con el fin de asegurar que sta no bajar a niveles peligrosos. La fuerza dielctrica es el campo elctrico mximo que puede resistir un material sin que se produzca rotura. Sin embargo, cuando la mquina elctrica se somete a sobrecarga trmica, exposicin a persistente contaminacin, u otros factores externos pueden sufrir fallas prematuras, al acelerarse la reduccin de su fuerza dielctrica. Desde hace mucho tiempo se intentan desarrollar pruebas que identifiquen y anticipen las fallas, de manera que los responsables del buen funcionamiento de las mquinas elctricas corrijan la causa raz de la falla, y as pueda seguir operando dentro de los parmetros normales. El sistema de aislamiento de la mquina no escapa a sufrir fallas, por lo que es posible incrementar la confiabilidad de ste por medio de pruebas especficas, las cuales sern evaluadas en este trabajo. El tiempo ptimo para el reemplazo del bobinado puede ser planeado, sin embargo debe responder a la combinacin de mltiples pruebas, a la inspeccin visual, y al historial del motor. Las pruebas que se describirn son las Fuera de Lnea (Off-Line), las pruebas En Lnea (On-Line) no sern evaluadas. Las pruebas que se analizarn combinan tcnicas en Corriente Directa (DC) y Corriente Alterna (CA). Las pruebas fuera de lnea son usadas para localizar y determinar la severidad o riesgo de la falla, para mejores resultados se recomienda que la mquina se encuentre aislada de la fuente de alimentacin, que las fases se prueben por separado y algunas requieren remover el rotor. Existen varias ventajas de las pruebas fuera de lneas, entre ellas estn:

Fcil acceso para el personal de mantenimiento. Gran variedad para medir diferentes parmetros. 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 estrs mecnico, trmico ni de voltaje a que puede ser

sometido la mquina en operacin. Pueden existir problemas de programacin de las pruebas al requerirse la

mquina apagada. El sistema de aislamiento de la mquina 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 dielctrica 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 MQUINAS ELCTRICAS ROTATIVAS La mayora de fallas en mquinas elctricas son:

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

cambio por una mquina nueva. La primera clasificacin de las fallas de origen elctrico es la siguiente: Fallas No controladas por el usuario: -Defectos de fabricacin -Eventos atmosfricos severos. Fallas Controladas por el usuario: -Inadecuada aplicacin. -Influencia del ambiente.

-Condiciones del servicio elctrico: Alto-bajo-des balance de voltaje, prdida de fase, corrientes armnicas.

-Deficientes prcticas de Mantenimiento. Resumimos las causas de fallas elctricas en:

Sobrecargas trmicas. Severas anormalidades elctricas. Contaminacin del sistema de aislamiento.

Un estudio desarrollado por IEEE en 1985 encontr que en el estator se dan cerca del 40% de las fallas en motores elctricos, 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 operacin de las mquinas, deben prestar especial atencin a este sistema, por medio de acciones que anticipen su falla. Figura 2 Estudio de fallas en motores elctricos en USA-1985 Fuente: IEEE, Transactions on Industry Applications, Vol. IA-21, No. 4, July-Aug 1985.

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

Cuando se prueba un bobinado con corriente directa, la distribucin se basa en la Resistencia de Aislamiento, la cual es funcin de la geometra 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 ampermetro 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 ingls Insulation Resistance). Si se aplica la frmula general de resistencia, se encuentra que:

ALIR /= Donde: : Resistividad de los materiales del camino, combina todos lo materiales presentes. L: Longitud del camino. A: rea de la seccin 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 tiles para encontrar contaminacin dentro del sistema de aislamiento. La interpretacin de los resultados es difcil y muchas producen confusin, ya que primero se debe descartar que la causa raz de una baja Resistencia de Aislamiento se deba a alta contaminacin, para luego pensar que es debido a un avanzado deterioro trmico. Depender mucho de los tipos de materiales aislantes utilizados en la mquina, por ejemplo: La mica es un material que tiene virtualmente una resistividad muy alta (Tiende a infinito). Analizar una mquina que incluya mica como uno de sus materiales aislantes, presenta algunas dificultades cuando se usan tcnicas en corriente directa.

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

A continuacin 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 frmula:

dAC /= Donde: C: Capacitancia de la bobina. : Permitividad dielctrica del material aislante. A: rea de la seccin transversal. d: Espesor del material. El valor de la permitividad del sistema de aislamiento se afectar grandemente por la presencia de vacos (Huecos) y agua. Por esta razn, las pruebas en corriente alterna son aplicadas a todos los tipos de materiales aislantes.

PRUEBAS EN CA ENCUENTRAN: Humedad y Presencia de Vacos.

A continuacin 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 relacin entre ambas componentes ser:

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 ms completa evaluacin de la condicin de un sistema de aislamiento de una mquina elctrica rotativa. La figura siguiente ilustra esta situacin: 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 ms a las de corriente directa, que no tienes los inconvenientes siguientes:

- Las pruebas muestran cierta ambigedad, ya que un bobinado bueno o marginal (En el lmite aceptable) tienen altas capacitancias, esto es Ic muy altas, por lo que la interpretacin de resultados puede ser complicada, es muy difcil 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 ms grandes, con volmenes y pesos significativos, en comparacin con los de CD.

3.0 PRUEBAS DE AISLAMIENTO EN CORRIENTE DIRECTA 3.1 Resistencia de Aislamiento (Estndar 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.

- Contaminacin.

- Humedad.

- Severos dao 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 contaminacin 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 geomtrica del bobinado.

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

- Corriente de absorcin (Absorption current IA): Es no lineal. Est relacionada con la energa absorbida por los enlaces covalentes de las molculas orgnicas aislantes y al desplazamiento de las mismas por la presencia de un campo elctrico.

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 especfico con moderada corriente de fuga.

Figura 7 Distribucin 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, carbn, 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 est 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 dielctrica con voltajes ms bajos. Todo lo contrario pasa si el bobinado est 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 medicin de temperatura durante la prueba, y corregir el resultado para hacer comparaciones en el tiempo, por medio de la siguiente frmula:

IRc=Kt * IRt

Donde:

IRc=Resistencia de aislamiento corregida a 40C.

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

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

El voltaje de prueba est definido por la norma IEEE 43-2000, y este depende del voltaje de operacin de la mquina.

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

Voltaje de operacin (V) Voltaje de prueba (VDC)

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 mnimos de resistencia de aislamiento tambin los define IEEE.

Figura 10 Valores mnimos recomendados de resistencia de aislamiento

Fuente: IEEE Power Enginnering Society. Std 43-2000: Recommended practice of testing insulation resistance of rotating machinery. IEEE Press, New York, 2000, pp 17.

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

Despus 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 s el bobinado resiste el alto estrs causado por el voltaje de prueba. Se espera que si el bobinado presenta algn defecto o debilitamiento se dispare durante la prueba. Para bobinados en buen estado esta prueba no representa peligro de dao permanente.

Los equipos de Hi Pot tienen una indicacin de DISPARO, esto quiere decir que no pasa las pruebas. Hay dos procedimientos segn 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 tpica 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 sbito aumento de corriente, con un pequeo aumento de voltaje, se dice que se da una condicin de avalancha y el equipo da la indicacin de DISPARO. Si la prueba se realiz con el bobinado seco y limpio se puede concluir que el bobinado presenta un problema, conclusin: El motor no puede volver a operacin.

3.3 Descarga dielctrica.

Esta prueba fue desarrollada por la compaa EDF de Francia luego de aos de investigacin [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. Slo afecta la corriente inversa de absorcin. La figura siguiente ilustra el fenmeno.

Figura 12 Distribucin de corriente en una prueba de descarga dielctrica 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. Despus de 60 segundos el flujo que permanece es medido. Por medio de la siguiente frmula se obtiene el factor de descarga dielctrica:

ciaCapaciVoltajeCorrienteDD

tan*min1@=

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

Figura 13 Prueba de descarga dielctrica

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 Condicin del aislamiento

> 7 Malo

4-7 Pobre

2-4 Cuestionable

Cuando hay una capa defectuosa entre dos capas buenas, su resistencia de fuga decrecer mientras que la capacitancia probablemente permanece igual. Una prueba normal de aislamiento se determinar por las capas buenas, y probablemente no revele esta condicin. Pero durante la descarga dielctrica, la constante de tiempo de la capa defectuosa desemparejar con las otras para producir un valor DD ms alto. Un valor DD bajo indica que la corriente de reabsorcin decae rpidamente, y la constante de tiempo es similar. Un valor alto indica que la reabsorcin exhibe tiempos de relajacin largos, que pueden apuntar hacia un problema.

3.4 Medicin de resistencia hmica (Estndar 92 de IEEE).

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

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

2. Bobinados con resistencias > 1: Se pueden usar multmetro convencional o la tcnica de 4 puntas.

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

Figura 14 Resistencia de contacto en medicin 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 peridicas se debern 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, segn el tipo de bobinado [5]:

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

3.5 Prueba del ndice de Polarizacin (Estndar 43 de IEEE).

La Prueba del ndice de Polarizacin (PI del ingls Polarization Index) es una razn entre la resistencia de aislamiento a 10 minutos y a 1 minuto [6]:

min1@Remin10@Re

islamientosistenciaAislamientosistenciaAPI =

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

Figura 15 Valores mnimos 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

Fuente: IEEE Power Enginnering Society. Std 43-2000: Recommended practice of testing insulation resistance of rotating machinery. IEEE Press, New York, 2000, pp 16.

El PI mide el tiempo requerido por las molculas del aislamiento para polarizarse y resistir el flujo de corriente. Las molculas en reposo estn orientadas aleatoriamente segn la parte superior de la figura 16. Cuando del material aislante es colocado en un campo elctrico las molculas se alinean. El tiempo requerido para el alineamiento ayudar a dar un diagnstico de la condicin 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 Molculas 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 contaminacin. En caso de aislamientos contaminados y hmedos la corriente de fuga dominar, obtenindose un PI bajo. Para aislamientos secos y limpios la corriente que dominar ser la de absorcin por lo que la prueba efectivamente medir la condicin del bobinado.

Figura 17 Curva tpica de una prueba de PI

Fuente: IEEE Power Enginnering Society. Std 43-2000: Recommended practice of testing insulation resistance of rotating machinery. IEEE Press, New York, 2000, pp 8.

Ya que la prueba de PI establece un voltaje de prueba en corriente directa entre la bobina y la carcasa, sta se ve influenciada por el tipo de bobinado: Aleatorio o preformado. El PI es til para bobinado preformado, ms 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 5000M en el primer minuto de la prueba se considera que la misma deja de ser til ya que la variacin 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 (Estndar 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 estrs elctrico que en sistemas debilitados, contaminados o envejecidos pueden no ser soportado. Si el aislamiento falla en este momento el motor se quemar en pocos segundos o minutos. Es as como el aislamiento entre vueltas es crtico 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 nica 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 condicin de estrs. La prueba es vlida para bobinado aleatorio o preformado. Luego de aplicar la prueba a cada fase del bobinado trifsico, las 3 ondas obtenidas se grafican juntas y se analiza de la siguiente forma:

1. Si las ondas estn 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 fbricas aplican esta prueba durante el proceso de fabricacin de mquinas elctricas como parte del control de calidad previo a la impregnacin del bobinado. La prueba de impulso duplica los impulsos de arranque del motor, por lo tanto es una condicin severa y no debe ser aplicada peridicamente. Otras condiciones donde el bobinado puede ser sometido a altos niveles de impulso son: Alimentacin del motor con un variador de velocidad tipo PWM (Modulacin por ancho de pulso); transitorios producidos por el sistema de alimentacin elctrica del motor.

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

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

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

3. Entonces: N.

Cuando hay corto entre vueltas el nmero de vuelta N se reduce y el perodo 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.

operacin 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 cmo se distribuye un impulso de 900VDC en un bobinado de prueba compuesto por 9 bobinas, cada una con cierta cantidad de vueltas. S el bobinado no tiene cortos entre vueltas se espera que cada bobina mida 100VDC. Pero en un bobinado daado la distribucin 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 patrn de comportamiento. La segunda es un ejemplo de un bobinado daado con un corto entre vueltas, lo que produce un perodo distinto en una de estas. Los voltajes de prueba son los mismos que para la prueba de Hi Pot.

Figura 19 Prueba de comparacin 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 (Estndar 112 de IEEE).

Como en la prueba de alto potencial en CD, despus 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 estrs por medio de un sobre voltaje. El objetivo es que si la mquina en prueba tiene puntos dbiles en su sistema de aislamiento, ste colapse durante el desarrollo de la prueba. Se aplica a mquinas durante el proceso de fabricacin o reparacin, y durante tareas de mantenimiento. La prueba es: Pasa y No Pasa. Es una prueba destructiva, bajo el criterio que si la mquina no soporta la misma, no est en capacidad de ponerse en operacin. El estrs que provoca es similar al inducido durante la operacin 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 sbito aumento de corriente con un pequeo aumento de voltaje, se dice que se da una condicin de avalancha y el equipo da la indicacin de DISPARO.

4.3 Prueba de Capacitancia (Estndar 286 de IEEE). La presencia de vacos dentro del sistema de aislamiento se puede definir por medio de la prueba de capacitancia, ya que estos vacos se llenan de aire, cambiando la constante dielctrica del sistema de aislamiento. Estos vacos 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 DAADO

Corto entre vueltas

por un mal proceso de barnizado o por el desplazamiento del barniz durante la vida la mquina. En bobinados nuevos esta prueba es poco til, sin embargo en mquinas antiguas la prueba puede ser til para la deteccin de alta contaminacin y deterioro avanzado (Conocido como de laminacin el sistema de aislamiento). El siguiente criterio es til para el anlisis:

De laminacin: Capacitancia cae (Cambios de 1%). Contaminacin: 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 vacos se produce la descarga, siendo detectada por el instrumento. La prueba mide la capacitancia Clv a 0.2*VL-L y tambin mide la capacitancia Vhv a 0.58*VL-L. La diferencia de capacitancia se mide y se calcula el C:

C= (Chv-Clv)/Clv

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

C< 1% para modernas mquinas (Despus de 1970).

C< 3% a 4% para mquinas antiguas.

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

4.4 Factor de Disipacin Tan (Estndar 286 y 432 de IEEE). Igual que la prueba de capacitancia, la prueba del Factor de Disipacin 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 mquina, entre la fase en prueba y tierra. La intencin es observar incrementos en las prdidas en potencia real debidas a la presencia de vacos en un sistema con de laminacin ( tan ). En vista de que el voltaje se incrementa paulatinamente, la presencia de vacos incrementa la actividad de descargas por medio de stos, aumentando las prdidas en mW. El valor absoluto del factor de disipacin se calcula de la siguiente forma:

DF= tan =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 vacos.

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

De laminacin: tan incrementa. Contaminacin-Humedad: tan aumenta. Sistemas de aislamiento modernos: tan es cercano a 0.5%. Sistemas de aislamiento antiguos: tan 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 grfica de potencias que intervienen y los ngulos.

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 (Estndar 286 y 432 de IEEE). Similar al Factor de Disipacin, la prueba del Factor de Potencia busca cualquier cambio en el sistema de aislamiento. Es tpico que la prueba se realiza y los resultados se comparan con otra mquina. Este procedimiento es valioso para corroborar la calidad del proceso de impregnacin y curado de los bobinado nuevos. Igual que la anterior, la limitacin de la prueba es que algunos resultados son ambiguos. El valor se obtiene por medio de la siguiente relacin, y segn la figura 20: PF= Cos =mW/mVA=IL/ITotal Los criterios que se usan son:

De laminacin: Cos incrementa. Contaminacin-Humedad: Cos aumenta. Sistemas de aislamiento modernos a base de polietileno: Cos cercano a

0.01%.

Sistemas de aislamiento modernos a base de otros materiales: Cos 0.5%. Sistemas de aislamiento antiguos: Cos entre 3% y 5%.

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

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

Prueba Qu detecta? Efectividad Frecuencia Tpica Precauciones Estndar Referencia

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

En fbrica o taller. Durante un

mantenimiento mayorPrueba Destructiva IEEE 112 y NEMA MG-1

Impulso Aislamiento vuelta a vueltaBuen proceso de

bobinado En fbrica o taller Prueba Destructiva IEEE 522

CapacitanciaDe laminacin o

inapropiado barnizado

Buen proceso de bobinado. Es posible

para tendencias

En fbrica o taller. 1-2 veces al ao IEEE 286

Factor de Disipacin y tan

De laminacin o inapropiado barnizado

Buen proceso de bobinado. Es posible

para tendencias

En fbrica o taller. 1-2 veces al ao IEEE 286

Factor de Potencia y Cos

De laminacin o inapropiado barnizado

Buen proceso de bobinado. Es posible

para tendencias

En fbrica o taller. 1-2 veces al ao IEEE 286

Hi Pot en CD Aislamiento dbil Pasa/No pasa. til para tendencias Segn sea necesario Prueba DestructivaIEEE 95 y NEMA

MG-1

Resistencia Aislamiento

Contaminacin, humedad, severos

daos

til para decidir si mquina entra en operacin. Para

tendencias

1-2 veces al ao IEEE 43

ndice de Polarizacin

Humedad o contaminacin.

Posible deterioro del aislamiento

Efectivo para tendencias 1-2 veces al ao IEEE 43

Resistencia de bobinado Pobres conexiones

Efectivo para tendencias 1-2 veces al ao IEEE 92

Descarga dielctrica Posible deterioro del aislamientoEfectivo para tendencias 1-2 veces al ao

CA

CD

Figura 21 Resumen de las pruebas estudiadas Fuente: Recopilacin Propia

6.0 CONCLUSIONES El responsable de la correcta operacin de las mquinas elctricas rotativas tiene a su disposicin una serie de pruebas para evaluar la condicin del sistema de aislamiento, cada una tiene un alcance y efectividad propia, que se deben conocer para hacer la mejor seleccin. Las pruebas en Corriente Directa y Alterna pueden complementarse para desarrollar un anlisis completo del sistema de aislamiento, y que esto sea una herramienta til para la toma de decisiones. La realizacin de las pruebas no garantiza que la mquina elctrica se est evaluando correctamente, el responsable debe desarrollar criterio, apoyado con la normativa existente, para hacer un buen uso de los resultados.

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

polarizacin

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Biografa: Oscar Nez Mata, Ingeniero Electricista, graduado de la Universidad de Costa Rica 1993. Maestra en Administracin de Empresas de la UNED, Costa Rica, 2006. Miembro del grupo de consultores de la Cmara de Industrias de Costa Rica, encargado de impartir cursos de formacin sobre mquinas elctricas, desde 2004. Instructor de Fundatec (Fundacin Tecnolgica), y profesor-investigador del TEC, Escuela de Ingeniera Electromecnica, encargado de impartir cursos sobre mquinas elctricas, desde 2006. En la UCR, profesor de cursos de Mquinas Elctricas, Escuela de Ingeniera Elctrica. Actualmente consultor privado, especialista en reparacin, asesora y capacitacin en el campo de los motores y generadores elctricos.