Numero 11 - Marzo 2005

 

 

 

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Mantenimiento predictivo en motores electricos (parte 3)

 

 

Se muestran las ultimas actualizaciones en las normas IEEE para diagnóstico de aislaciones en máquinas rotativas.

 

En la mayoría de los motores y generadores, la vida útil de una bobina del estator depende de la capacidad de la aislación para prevenir fallas.

La necesidad de un rebobinado del estator se determina casi siempre cuando la aislación no puede satisfacer su propósito y no por un problema con los conductores de cobre. Esto surge del hecho que el aislamiento eléctrico tiene un importante contenido orgánico, una temperatura de fusión más baja y una resistencia mecánica más baja que el cobre y el acero del núcleo. Entonces, cuando se fabrica una nueva bobina de estator, las normas NEMA MG1 (en USA) e IEC 60034 (en Europa) solicitan varias pruebas en la aislación para asegurar que la bobina del estator alcance una vida útil satisfactoria, típicamente de 20 a 40 años.

Otras muchas pruebas se han normalizado para evaluar la condición de la aislación durante el servicio (vida útil).

Las normas y métodos de prueba del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) son utilizados extensamente, en todo el mundo, por los fabricantes de máquinas nuevas y por usuarios de motores y generadores para evaluar el estado de la aislación a lo largo de su vida útil.

Como las últimas versiones de estas normas fueron escritas hace 25 años,  pero desde los años 70, los bobinados han estado experimentado muchos cambios en su diseño y fabricación (ejemplo: el uso extendido de la aislación clase F de resinas epoxi y poliéster, el uso extendido del proceso VPI de impregnación), se encontró que la interpretación de resultados sugeridos por estas normas  no era válida para estos motores más modernos.

 

Debido a estos hechos es que en los últimos 5 años, la Power Engineering Society del IEEE ha hecho una importante revisión y puesta al día de la mayoría de estas normas. Como consecuencia  ha habido muchos cambios importantes en los métodos de ensayo y en la interpretación de los resultados.

Este artículo muestra las normas principales usadas hoy día para  diagnóstico de estator y rotor, y los cambios introducidos.

Las mismas son:

 

 

1) IEEE 286-2000: variación de factor de potencia, tip-up (máquinas nuevas y usadas)

2) IEEE 522-2004: ensayos de alta tensión para aislación entre espiras (máquinas nuevas y usadas)

3) IEEE 1434-2000: ensayos de descargas parciales (máquinas nuevas y usadas)

4) IEEE 43-2000: resistencia de aislación e índice de polarización (máquinas nuevas y usadas)

5) IEEE 95-2002: ensayos de alta tensión continua (máquinas nuevas y usadas)

 

En esta primera parte presentaremos las características generales de las IEEE 286, 522 y 1434. *

 

IEEE 286 – VARIACION DE FACTOR DE POTENCIA

 

La norma IEEE 286 describe el ensayo de variación de factor de potencia (tip-up). Esta es una manera indirecta de medir las descargas parciales existentes en una aislación. Dado que las descargas parciales son un síntoma de varios mecanismos de deterioro, este ensayo indica la presencia de varios procesos. Además de usarse como ensayo de mantenimiento, es también usado por fabricantes como control de calidad para asegurar una correcta impregnación de la resina epoxi o poliéster. La IEEE 286-2000 no cambió la interpretación, pero se alineó con su equivalente IEC 60894.

 

A.      Objeto y teoría

 

Todos los materiales aislantes tienen pérdidas dieléctricas que pueden medirse con un ensayo de factor de potencia o ensayo de factor de disipación. A bajas tensiones los resultados no dependen de la tensión de ensayo. Sin embargo, al aumentar la tensión alterna, y si existen huecos en la aislación, a determinado nivel de tensión aparecen descargas parciales. Estas descargas producen calor, luz y sonido que consumen energía. Esta energía debe ser proporcionada por la fuente de ensayo. Por consiguiente, en un bobinado con aislación delaminada, al aumentar la tensión, aparecen descargas parciales. El factor de disipación y el factor de potencia aumentarán debido a las pérdidas dieléctricas adicionales. Cuanto mayor sea el aumento en el factor de disipación y el factor de potencia, mayor es la energía consumida por las descargas. En este ensayo, el factor de disipación o factor de potencia se mide a un mínimo de tensión. El factor de potencia a baja tensión, FPbt, es un indicador de las pérdidas dieléctricas normales en la aislación. Generalmente se mide a un 20% de la tensión de fase nominal. Luego se aumenta la tensión de ensayo al valor nominal y se mide el FPat. El tip-up resulta:

 

tip-up = FPat - FPbt

 

Cuanto mayor sea el tip-up, mayor es la energía consumida por las descargas parciales. Hay quienes registran estos valores a distintos niveles de tensión y calculan diferentes tip-ups. Graficando el tip-up en función de la tensión es posible determinar la tensión de aparición de las descargas. Históricamente se aplicaba este ensayo a barras y bobinados para ver el grado de impregnación de la aislación. Sin embargo, a partir de los años 50, se aplica a bobinados completos para detectar mecanismos de deterioro que producen descargas parciales. La presencia de capas semiconductoras de control de campo para tensiones superiores a 6 kV complica la medida. A baja tensión esta capa presenta una alta resistencia y no circula corriente, por lo tanto no hay pérdidas en ella. Al aumentar la tensión, la resistencia de la capa disminuye y comienzan a circular corrientes. Estas producen pérdidas y el equipo de ensayo detecta estas pérdidas adicionales. Como a baja tensión esta capa no contribuye con las pérdidas y a alta tensión si, entonces hay contribución al tip-up. En este caso se podrá detectar sólo si la actividad de descargas parciales es importante.

 

B.       Interpretación

 

Esta herramienta de mantenimiento se utiliza para ver tendencias. El valor inicial del tip-up en una fase no tendrá relevancia dado que será dominado por el efecto de la capa de control de campo. Al medir a lo largo de los años, si se detecta un aumento, es indicación de aumento en la actividad de descargas parciales. Las causas más probables de descargas parciales son:

 

1. Deterioro térmico

2. Ciclos de carga

3. Impregnación defectuosa durante la fabricación

 

Este ensayo no es muy sensible a barras flojas en la ranura, fallas en la capa semiconductora o tracking en las cabezas de bobina. En estos casos, la actividad de descargas parciales es de baja repetición o el daño está confinado a una zona relativamente pequeña haciendo que la contribución a las pérdidas totales sea pequeña.

 

IEEE 522 – ENSAYOS DE IMPULSOS

 

Ninguno de los ensayos anteriores mide directamente la integridad de la aislación entre espiras. El ensayo de impulso descripto en la norma IEEE 522-2004 lo hace aplicando un impulso de tensión relativamente alto entre espiras. Este es un ensayo de alta tensión para la aislación entre espiras y puede perforarla requiriendo reparaciones si ocurre.

 

A.      Objeto y teoría

 

Las conmutaciones a las que se ve sometido un motor causan  picos de tensión con tiempos de subida muy cortos. Pulsos similares se producen al usar variadores de velocidad y frente a perturbaciones en la línea de alimentación. Estos tiempos de subida rápidos producen distribuciones de tensión no uniformes en el bobinado. Si el tiempo de subida es muy corto, el pico de tensión es alto y la aislación es débil, se puede producir una perforación que termina en una falta a tierra.

 

El ensayo de impulso reproduce estas condiciones.

 

En ese aspecto este ensayo es similar a los de alta tensión en alterna y continua: se aplica una alta tensión y se observa si la aislación falla. Este es un ensayo destructivo. Al igual que en otros ensayos, la pregunta es si debemos hacerlo.

El aspecto complicado de este ensayo es poder determinar si se produce una perforación en la aislación. En los ensayos de alta tensión continua y alterna eso se ve porque la resistencia de aislación baja a cero.

Una perforación entre espiras no produce este efecto ya que representa una porción pequeña del total de la aislación. El defecto se detecta porque se produce un cambio en la impedancia del circuito y por consiguiente la frecuencia de resonancia se ve alterada.

El ensayo consiste en cargar un condensador con tensión continua y luego descargarlo abruptamente. Durante el ensayo se producen oscilaciones, al ser un circuito LC. Si se produce una perforación, la inductancia del bobinado disminuirá y por consiguiente la frecuencia aumentará.

 

B.       Método de ensayo

 

La norma IEEE 522 describe los ensayos de aceptación y de mantenimiento. La norma se está revisando para contemplar los nuevos equipos digitales de prueba. Como ensayo de aceptación se especifica un tiempo de subida de 100 ns y una magnitud máxima de 3.5 por unidad, donde un 1 por unidad es la tensión de pico nominal de fase. Para el ensayo de mantenimiento se mantiene el mismo tiempo de subida pero se reduce el pico a 2.6 por unidad. Si se produce una perforación durante el ensayo, será necesaria una reparación.

 

C.       Interpretación

 

Este es un ensayo pasa-no pasa y no se tiene información de diagnóstico.

 

IEEE 1434 - DESCARGAS PARCIALES

 

La norma IEEE 1434 es una nueva guía de ensayo que apareció en el año 2000. La norma describe ensayos con máquina fuera de servicio y con máquina en servicio. Este ensayo mide directamente los pulsos de corriente que aparecen como consecuencia de descargas parciales en el bobinado. Cualquier proceso de deterioro que genere descargas parciales como síntoma, será detectado por este ensayo. Este ensayo es significativo para tensiones nominales por encima de 2300 V.

Esta norma describe varios métodos de ensayo:

 

1. ensayo con máquina fuera de servicio en el estator completo.

2. ensayo con sensor de efecto corona para localización.

3. ensayo con sensor ultrasónico para localización.

4. visualización a oscuras o con sensor ultravioleta para localización.

5. ensayo con máquina en servicio.

 

Los primeros cuatro ensayos se hacen con la máquina fuera de servicio y con parte de la misma desarmada. El último de ellos se hace con la máquina en servicio. Estos ensayos requieren la participación de un experto.

 

A.      Objeto y teoría

 

Muchas de las fallas en los bobinados presentan descargas parciales como síntoma del proceso. Cuando se produce una descarga parcial hay un flujo de electrones desde una cara interna del hueco hacia la otra. La velocidad de la descarga es muy alta y se producen pulsos de muy corta duración, del orden de nanosegundos. Al transportar carga se produce un pulso de corriente. Cada pulso de corriente ocurre en un lugar determinado de la aislación. La corriente viajará a través del bobinado y se creará un pulso de tensión. El pulso viaja hasta llegar a los bornes de los bobinados. Si se realiza un análisis de frecuencia se verá que se tienen señales de algunos cientos de MHz. Un dispositivo sensible a las altas frecuencias podrá detectar estos pulsos. En ensayos de descargas parciales sobre el bobinado completo de una máquina generalmente se usa un condensador de alta tensión conectado al borne de salida del bobinado. Este condensador y algún filtro adicional se conectan de manera de derivar a través de una baja impedancia a tierra la señal de 50 Hz y las altas frecuencias hacia el circuito de medida. En algunos casos se usan también transformadores toroidales de alta frecuencia para detectar las descargas parciales. Cada descarga parcial producirá su propio pulso. Cada pulso tendrá una amplitud diferente. La magnitud del pulso está asociada al tamaño del hueco en la aislación. Cuanto más grande es el pulso mayor será el defecto que originó la descarga. Lo interesante de este ensayo es que uno puede concentrarse en los pulsos grandes y descartar los pequeños. Contrariamente a lo que pasa con el ensayo de tip-up donde se ve la actividad total de las descargas parciales, la medida directa de las descargas permite la medida de los defectos más importantes. Dado que la probabilidad de falla es mayor en los defectos más grandes, el ensayo de descargas parciales indica la condición de la aislación en sus partes más deterioradas.

 

B.       Métodos de ensayo

 

En el ensayo con máquina fuera de servicio se requiere una fuente de alimentación. Para máquinas grandes ya vimos que la potencia necesaria puede ser importante. Para los ensayos con máquina en servicio la propia máquina genera la tensión de ensayo (alternador) o la proporciona la red de alimentación (motor).

 

C.       Interpretación

 

La medida de las descargas parciales consiste en medir su amplitud. Se utilizan distintas unidades:

 

1. pico culombios (pC) si se dispone de un calibrador. Esta es una medida de la cantidad aparente de electrones involucrados en la descarga.

2. milivoltios (mV), cuando la amplitud se mide generalmente con osciloscopios.

3. miliamperios (mA) si los pulsos se miden con un transformador de alta frecuencia.

4. decibeles (dBm) si se mide con un analizador de frecuencia.

 

No existe una magnitud de medida normalizada. La magnitud del pulso detectada en los bornes depende de varios factores:

 

1. El tamaño del defecto. En general, cuanto mayor es el volumen del defecto mayor es el pulso.

2. La capacidad del bobinado. Si la capacidad es alta, la impedancia a tierra a altas frecuencias será baja. La mayor parte del pulso de corriente se deriva a tierra llegando muy atenuado al borne de salida.

3. La inductancia entre el origen de la descarga y el equipo de medida. El pulso se atenuará a lo largo del bobinado. Generalmente cuanto mayor es el recorrido menor será la magnitud del pulso detectado.

 

Estos factores hacen difícil definir una gran amplitud de descarga como indicación de defecto grave. Este ensayo es un ensayo de comparación. Se puede determinar cuál es la fase con mayor amplitud de descargas y como consecuencia la de mayor deterioro. También se pueden comparar máquinas similares entre si. Finalmente, se pueden comparar resultados en una misma máquina a lo largo del tiempo. El diagnóstico basado en esta técnica requiere de un especialista y la información que se puede obtener es muy valiosa. Es posible inferir cuan extendido está el defecto o incluso alguna localización y el tipo de defecto.

 

CONCLUSIÓN

 

Existen varios ensayos para el diagnóstico de la aislación de una máquina rotativa. Es necesario realizar un conjunto de ensayos en forma periódica para poder conocer la condición de una máquina. Las normas IEEE se han ajustado y lo seguirán haciendo a medida que las tecnologías de fabricación de máquinas y de medida van cambiando.

 

 

Ing. Jorge Fernández Daher

CONATEL S.A.

El Ing. Fernández Daher es miembro de IEEE y especialista en mantenimiento eléctrico.

Consultas: jfernandez@conatel.com.uy

 

*Nota del editor: si bien en el numero anterior se explicó el uso de la IEEE 43-2000, en el próximo número se volverá a tratarla, pero con más datos útiles para quién está a cargo del mantenimiento de motores y alternadores eléctricos.

 

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