Criterios para evaluar el aislamiento en máquinas eléctricas rotativas

El mantenimiento frecuente de la máquina eléctrica rotativa es vital para su perfecto funcionamiento, mientras que esta responsabilidad es aún mayor en máquinas de gran tamaño, debido a los altos valores añadidos a esas máquinas y a los procesos donde normalmente están ubicadas. Este artículo tiene como objetivo presentar técnicas de evaluaciones en máquinas eléctricas rotativas, utilizando la tensión nominal de fase +10%,

Un mantenimiento periódico garantiza una vida útil mayor, ya que puede identificar posibles tendencias incipientes de fallos. Las herramientas, equipos y experiencias de los equipos de mantenimiento pueden identificar estas tendencias al fallo, las causas y las respectivas correcciones. 

De esta forma, este artículo tiene como objetivo presentar técnicas de evaluaciones en máquinas eléctricas rotativas, utilizando la tensión nominal de fase +10%, o sea, los mismos niveles de tensión aplicados a los devanados en operación, una proposición diferente al que es descrito en las normas.

Las máquinas eléctricas poseen un papel fundamental en cualquier proceso productivo, tanto en fuerza motriz como en fuente de energía. Por lo tanto, cualquier parada de una máquina eléctrica producirá impactos significativos en el proceso productivo. La tradicional "curva de la bañera" de fallos de equipos, traduce la probabilidad de fallos en máquinas eléctricas girantes. 

Al inicio de la operación, se podrá deparar con fallos inherentes a la aplicación, al transporte o eventualmente a la producción. Después de pasado ese momento, el equipo entra en una operación estable, pudiendo fallar aleatoriamente; pasado por este período, se entra en el límite de su vida útil.

Las máquinas eléctricas están sometidas continuamente a estrés eléctrico, mecánico, térmico y ambiental, principalmente a los contaminantes que degradan los componentes de la máquina y comprometen su vida útil. El principal componente que es degradado en una máquina eléctrica es el sistema de aislamiento de los devanados. 

Este factor es aún más complejo en las máquinas de media tensión. En generadores de gran tamaño, se puede observar que los fallos referentes al aislamiento son los predominantes. La vida útil de los aislantes normalmente define la fiabilidad de funcionamiento de la máquina eléctrica. Una máquina de buena calidad, y trabajando de la manera recomendada, tiene una expectativa de vida útil de alrededor de 25 años.

Constantemente se desarrollan estudios y equipos para estudiar las tendencias al fallo. 

Los ensayos más comunes utilizados en las evaluaciones de estas máquinas eléctricas son: la medición de la resistencia de aislamiento, índice de absorción y polarización; prueba de sobrecarga de tensión (surge test), que es el utilizado para identificar corto entre espiras; los aplicadores de tensión (hipots) usados para probar los aislantes de manera activa, midiendo la fuga de corriente y verificando el efecto corona; las pérdidas dieléctricas (la tangente delta), que son usadas para identificar la tendencia de las pérdidas en la capacitancia asociada al aislamiento y el medidor de descargas parciales que muestra las pequeñas descargas que ocurren en estos sistemas de aislamiento y traza una evolución de estos niveles.

Evaluaciones y pruebas en los sistemas de aislamiento

El ensayo de tensión aplicada (hipot) tiene el objetivo de evaluar la capacidad dieléctrica del sistema de aislamiento, para soportar los esfuerzos sometidos a la máquina eléctrica en servicio. Si el sistema de aislamiento soporta la prueba de hipot, significa que soportará los esfuerzos sometidos en operación, con bajo riesgo.

La prueba de sobrecarga de tensión, conocida como ‘surg test’, se realiza aplicando una breve sobrecarga de tensión en la bobina, que responde por medio de una forma de onda senoidal amortiguada. La forma de onda que el instrumento presenta está directamente relacionada con la impedancia de la bobina, que presenta una característica propia y única.

Resistencia de aislamiento e índice de polarización y absorción. Este ensayo se realiza con tensión continua (cc), con amplitud que depende de la magnitud de la tensión nominal de la máquina a ser ensayada. El megóhmetro es el instrumento típico para la realización de este ensayo. Posee escalas de 500 a 15.000 V y los factores de temperatura ambiente y la humedad relativa del aire influencian en gran manera en las mediciones. Por eso, es muy importante siempre referenciar estos dos factores ambientales con la medición.

Prueba de sobrecarga de tensión. La prueba de sobrecarga de tensión es fundamental para detectar corto entre espiras, pero también es posible identificar fallos como: cortocircuito entre bobinas, cortocircuito entre fases, conexiones invertidas y número de espiras diferentes. El valor de la inductancia de una bobina (medida en henrios) está básicamente determinado por el número de espiras, por el formato de la espira y por las propiedades geométricas y físicas del núcleo de ésta.

Tensión aplicada. Las pruebas con tensión aplicada son necesarias para asegurar que los sistemas de aislamiento posean capacidad mínima de soportar los esfuerzos sometidos durante el funcionamiento normal. La prueba para una máquina nueva o rebobinada consiste en aplicar una tensión alterna de 2 x ULínea +1kV (ejemplo: para una máquina de 13,8 kV, será aplicado 28,6 kV). Para una máquina en servicio, la norma IEC 60034-1 recomienda aplicar ULínea x 1,5 (ejemplo: para una máquina de 13,8 kV, será aplicado 20,7 kV). Para aplicar tensión continua, multiplicar los valores de tensión alterna por 1,7. Para ambos casos, el aislamiento debe soportar este nivel de tensión durante 1 minuto.

Básicamente, el criterio de aceptación es del tipo pasa o no pasa (fallo). Por lo tanto, en principio un sistema de aislamiento que no pasó esta prueba se puede considerar que fallaría en un corto período de operación. Su función es reducir la tasa de mortalidad característica de la fase inicial de la curva de la bañera. La experiencia muestra que varios puntos fragilizados en el sistema de aislamiento son evidenciados por el hipot.

Para máquinas eléctricas con largos períodos de operación, o sea, con un aislamiento ya estresado, la prueba de hipot puede reducir en algunos años la vida útil del equipo, llevando a un fallo debido a la aplicación de tensión en un aislamiento que no es nuevo. La decisión de realizar o no esta prueba tras una revisión es siempre delicada y debe de ser tomada por el fabricante o empresa prestadora de servicios, para reparaciones o revisiones basadas en criterios normalizados.

Corona visual (‘black-out test’). El efecto corona tiene origen en la descarga eléctrica por la ionización del gas entre bobinas o la tierra. El aspecto azulado acompañado de ruido es característico del efecto que ioniza parcialmente el gas, con formación de ozono. 

Este efecto deteriora el material aislante, con correspondiente disminución de la rigidez dieléctrica del aislamiento, llevando a descargas eléctricas que conducen al posterior fallo de aislamiento.

Este ensayo es aplicable para máquinas con tensión por encima de 10 kV. Es realizado con 1,15 x ULínea (ejemplo: para una máquina de 13,8 kV, se utiliza 15,87 kV), según la IEEE 1799. Este ensayo identifica puntos visuales de descargas eléctricas entre bobinas. Estos puntos de corona, si no son corregidos, aceleran el deterioro de los aislantes.

Tangente delta. El ensayo de ‘tangente delta’ también es aplicable para máquinas con tensión ≥ 6kV. Es realizado con 1,2 x ULínea (Ejemplo: Para una máquina de 13,8 kV, se utiliza 16,56 kV), según IEEE286. En el ensayo es realizado un comparativo de la curva de pérdidas dieléctricas estándar de la norma con los valores medidos en la máquina. Estos resultados presentan tendencias del posible comprometimiento del aislamiento. Una nueva impregnación VPI, o incluso el rebobinado, pueden ser recomendados para restablecer los parámetros. La prueba de tangente delta se basa en el hecho de que todos los materiales aislantes poseen pérdidas dieléctricas. De esa forma, un sistema de aislamiento puede ser modelado por un condensador en paralelo con una resistencia que representa las pérdidas dieléctricas.

Descargas parciales. Las descargas parciales son pequeños arcos eléctricos en cavidades de aire dentro o adyacentes al aislamiento. Este fenómeno ocurre porque la rigidez dieléctrica del aire de 3 kV/mm es menor que el aislamiento sólido que es de aproximadamente 100 kV/mm. El ensayo de descargas parciales, así como el tangente delta, es tratado como una tendencia para la evaluación de los sistemas de aislamiento. 

Para este ensayo, existen dos opciones de medición: el ensayo off-line, en el cual es necesario aplicar tensión de fase + 10%, según IEC60034-27; y el ensayo online, cuando las mediciones son hechas directamente en la máquina con tensión nominal y rodando en vacío, conforme IEC60034-27-2, ofreciendo así supervisiones tanto periódicas como continuas. El ensayo es aplicado para diagnosticar condiciones de los devanados estatóricos con tensión mayor a 3,3 kV. Este ensayo no tiene criterio de aceptación, siendo utilizado para un seguimiento de tendencia a lo largo del tiempo de operación.

El principal objetivo del artículo fue proponer una opción más, además de las recomendadas por las normas, para la toma de decisión sobre los niveles de tensión a ser utilizados en las evaluaciones de los sistemas de aislamiento envejecidos, para las reparaciones y servicios en las máquinas eléctricas. La decisión a tomar en estas evaluaciones siempre es compleja, ya que existen riesgos en todas ellas.