En este informe se abordan diferentes pruebas de diagnóstico convencionales en estatores de máquinas rotativas que se implementan en la actualidad para intervenir oportunamente.
INTRODUCCIÓN
Las máquinas eléctricas rotativas son uno de los activos más importantes dentro de la industria, ya que permiten llevar a cabo diferentes procesos y también contribuyen en la generación de energía eléctrica. Debido a la importancia de este activo es indispensable realizar pruebas preventivas constantemente que indiquen el estado de las diferentes partes que lo componen para cumplir con la confiabilidad y disponibilidad de la máquina todo el tiempo, logrando minimizar considerablemente la probabilidad de suspensiones súbitas que puedan producir pérdidas económicas importantes. Por medio de las pruebas de diagnóstico, se puede planificar eficazmente el mantenimiento o reparación oportuno de la máquina.
A continuación se abordarán las principales pruebas estáticas para el diagnóstico de devanados del estator que se realizan a motores y generadores de gran potencia. Es importante señalar que estos métodos también son aplicables a cualquier tipo de máquina rotativa sin importar su capacidad.
PRUEBAS ESTÁTICAS
Dentro de las máquinas eléctricas rotativas se pueden presentar diversos factores de estrés térmico y eléctricos que pueden afectar la eficiencia y el buen funcionamiento de las máquinas ocasionados por temperaturas altas y sobretensiones, es por ello que existen pruebas de diagnóstico que permiten garantizar la confiabilidad de la máquina y ampliar la expectativa de vida gracias a las intervenciones que se pueden realizar de acuerdo a los resultados que se obtengan. Entre éstas, se encuentran las pruebas estáticas, también conocidas como pruebas fuera de línea. Se trata de una serie de pruebas que son empleadas en las máquinas eléctricas cuando están desconectadas, éstas se realizan partiendo de una evaluación periódica del estado de la máquina utilizando diversos métodos tales como la medición de la resistencia del aislamiento de CC, medición del índice de polarización (PI) y medición de absorción dieléctrica (DAR), prueba de alta tensión no disruptiva y medición de la resistencia del devanado.
RELEVANCIA DE LAS PRUEBAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS ROTATIVAS
Durante la operación de la máquina y bajo diversas condiciones de funcionamiento intervienen factores en el tiempo que pueden representarse como la tasa de fallas que la máquina puede tener desde el momento de su adquisición y puesta en marcha hasta el final de su vida útil. Esto es posible representarlo mediante la denominada “curva de la bañera” de la figura 1.
Figura 1. Curva de la bañera - Tomado de [1].
Analizando la curva de la figura 1, se logra detallar que está dividida por tres fases las cuales representan la probabilidad de que determinado activo falle a lo largo del tiempo. La primera fase, denominada fase de mortalidad infantil, indica la tasa de falla inicial desde el momento en que el motor o generador sale de fábrica y es puesto en marcha. En esta fase, toma una forma decreciente y se caracteriza por tener una elevada probabilidad de fallos a pesar de que el equipo es nuevo. Algunos motivos de las fallas en esta fase son atribuidos a equipos defectuosos, mala instalación y puesta en marcha, errores de configuración y defectos de diseño o fábrica. Posteriormente, se encuentra la fase de madurez de la máquina. Durante este lapso la probabilidad de presentar fallas se minimiza y se logra estabilizar la tendencia, existiendo solamente fallas fortuitas debido a causas aleatorias externas a la máquina. Por último, durante el envejecimiento o fase de desgaste, la curva presenta una tendencia creciente debido a que está llegando al final de su vida útil, aumentando la probabilidad de que exista una falla [1].
Teniendo en cuenta lo anterior, se evidencia la necesidad de realizar periódicamente pruebas de diagnóstico en máquinas rotativas para realizar acciones oportunas y preservar el funcionamiento constante sin interrupciones, es por ello que se profundizará en las principales pruebas para el diagnóstico de máquinas rotativas.
RESISTENCIA DE AISLAMIENTO E ÍNDICE DE POLARIZACIÓN Y ABSORCIÓN
Esta prueba está regida bajo la norma IEEE Std 43 (2013) y es utilizada para detectar un bajo aislamiento en los devanados de la máquina y humedad presente. Con la prueba es posible dar una estimación del estado de la superficie del devanado mediante la comparación de resultados anteriores que permiten analizar qué tanto ha cambiado la resistencia.
La resistencia del aislamiento es el cociente de la tensión directa aplicada a través del aislamiento, dividida por la corriente total resultante en un determinado momento, tal como se muestra a continuación [3][4]:
R= Uprueba/Itotal (1)
En donde:
R = resistencia de aislamiento.
Uprueba = tensión de prueba aplicada al aislamiento.
Itotal = corriente total aplicada.
La corriente total que circula por el aislamiento es la suma de la corriente de fuga inductiva, capacitiva y la corriente de absorción de polarización como se muestra a continuación [2]:
Itotal= Ia+IC+IL (2)
La corriente de fuga conductiva (IL) es un indicador del desgaste del aislamiento, ya que a medida que éste se va deteriorando, la corriente conductiva aumenta. La corriente de fuga de carga capacitiva (IC) surge debido a la proximidad de los conductores. Una vez cargado el aislamiento con la tensión CC aplicada, ésta termina desapareciendo. Finalmente, la corriente de absorción de polarización (Ia) es la medida obtenida debido al desplazamiento de cargas dentro del material dieléctrico [2].
Los megóhmetros son los equipos empleados para realizar la prueba debido a que son medidores eléctricos que otorgan la capacidad de comprobar la resistencia y el estado de los devanados del motor o generador. La prueba se realiza aplicando tensión de CC entre el conductor y tierra a cierta amplitud que depende de la tensión nominal de la máquina que se desea evaluar, tal cual como se muestra en la tabla 1 [2].
Figura 2. Equipo probador de aislamiento MIT1025.
Tabla 1. Guía para selección de tensión CC para la medición de resistencia de aislamiento (IEEE 43).
Teniendo en cuenta la conexión entre el conductor y tierra como también aplicando la tensión de prueba dependiendo de la corriente nominal, se debe comprobar que el valor de la resistencia de aislamiento sea superior a 100 M como criterio de aceptación para bobinas preformadas.
El análisis de los índices de polarización (Ip) y absorción (Ia), son relevantes durante las pruebas. Los cuales se hallan de la siguiente manera:
Ip=R10minutos/R1minuto (3)
Ia=R1minutoR/30segundos (4)
en donde:
R30segundos= Resistencia medida a los treinta segundos.
R1minuto= Resistencia medida a un minuto.
R10minutos= Resistencia medida a los diez minutos.
El Ip y el Ia dan como resultado un valor adimensional, ambos son un indicador de la calidad del aislamiento, evalúan el estado de humedad y limpieza de la máquina. Se espera que una vez transcurrido un lapso prolongado de tiempo la corriente de absorción de los aislantes vaya reduciéndose dando un valor de resistencia ideal que tienda a infinito. En la práctica, índices de polarización entre 2,0 a 3,0 se atribuye a aislamientos buenos y para índices de absorción resultantes entre 1,25 a 1,4 también indican un nivel de aislamiento bueno. El criterio de evaluación se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 2. Criterios de evaluación para la medición de resistencia de aislamiento (IEEE 43).
Ventajas de la prueba:
Fácil de configurar.
Detección de posibles grandes defectos.
Desventajas de la prueba:
Larga duración de la prueba.
Medición de CC: la distribución de la tensión no es la misma que durante el funcionamiento.
No se detectan defectos individuales.
PRUEBA DE ALTA TENSIÓN NO DISRUPTIVA
La prueba de alta tensión no disruptiva es una prueba que se realiza en CA, está regulada por la norma IEC 60034-1 y su criterio de evaluación consta de una sola opción y entre sus calificativos están: pasa ó no pasa. Según la norma, la prueba debe de realizarse a una tensión superior a la nominal durante cierto tiempo, si durante el intervalo elegido, que por lo general es un minuto, la máquina es capaz de soportar la tensión se concluye que el resultado es exitoso y en consecuencia la prueba es superada [1][2].
La prueba es utilizada para evaluar devanados de rotor y estator y tiene como objetivo evidenciar posibles puntos débiles en la misma condición eléctrica que durante el funcionamiento normal, para así asegurar que los sistemas de aislamiento posean la capacidad mínima de soportar el estrés de operación nominal [1][2].
Para llevar a cabo la prueba de alta tensión no disruptiva, primeramente se debe aplicar un voltaje entre los devanados bajo prueba. Los devanados que no están bajo prueba deben de estar conectados al marco del motor, es decir, fijados a un extremo del suministro a tierra como se muestra en la siguiente figura:
Figura 3.Conexión de prueba alta tensión con equipo CPC 100 de omicron - Tomado de [1] .
La norma establece que el voltaje que se debe aplicar depende de la capacidad nominal de la máquina y también indica la posibilidad de realizar la prueba con corriente continua multiplicando el voltaje requerido en AC por un factor determinado. Para máquinas nuevas o rebobinadas, el nivel de tensión Hipot CA que se debe aplicar es igual a dos veces la tensión nominal línea a línea mas 1 kV y en nivel de tensión Hipot de CC es igual a dos veces la tensión nominal línea a línea más 1 kV por un factor de 1,7 como se muestra en la siguiente figura [2]:
Tabla 3. Niveles de tensión recomendados por norma y propuesta.
La importancia de realizar la prueba radica en la necesidad de reducir la tasa de mortalidad característica de la fase inicial de la curva de la bañera (figura 1) [2].
Como ejemplo de aplicación de los datos de la figura 4, se supone una máquina de 15 kV a la cual se desea realizar la prueba de alta tensión para comprobar que las bobinas están en óptimo estado. Aplicando los datos de nivel de tensión Hipot CA para máquinas nuevas o rebobinadas se tiene que la tensión de prueba debe ser igual a 31 kV. Realizando el mismo ejemplo pero para una máquina en servicio se calcula que la tensión de prueba necesaria es igual a 22.5 kV, el mismo cálculo puede realizarse para niveles de tensión Hipot CC teniendo en cuenta la columna correspondiente en la figura 4 [2].
El dato de condiciones de aislamiento de la figura 4 denominado como “máquinas de reparación (proposición)”, es una opción propuesta por investigadores pertenecientes a WEG para realizar la prueba a máquinas en servicio mediante tensiones de prueba no tan elevadas que permitan evaluar puntos débiles en el aislamiento sin ser tan agresivas con las bobinas, teniendo en cuenta el tiempo de uso que éstas llevan operando [2].
Ventajas de la prueba:
Fácil evaluación (criterios Sí/No).
Distribución de la tensión en el aislamiento, por ejemplo, durante el funcionamiento.
Se detectan “puntos ocultos”.
Desventajas de la prueba:
Prueba potencialmente destructiva.
Esfuerzo de montaje medio.
PRUEBA MEDICIÓN DE RESISTENCIA DEL DEVANADO
La prueba se realiza con el fin de hallar posibles problemas de contacto en los devanados del estator y rotor de las máquinas eléctricas rotativas. Es usada como una prueba de inspección para asegurarse que no existen problemas de conexión entre bobinas, barras individuales del devanado y colectores de los polos del rotor. Si bien los problemas que detecta la prueba no siempre conllevan el fallo instantáneo de la máquina, pueden ocasionar puntos calientes locales que a largo plazo terminan dañando la máquina [1].
Para realizar la prueba, se inyecta una corriente continua en el devanado del estator y se mide la caída de tensión. La corriente de CC y la tensión de CC se miden al mismo tiempo por cada fase y se calcula la resistencia como se muestra a continuación:
RM=Uprueba/Iprueba (5)
Donde:
RM= Resistencia medida.
Uprueba= Tensión aplicada.
Iprueba= Corriente aplicada.
Debido a la baja resistividad de los devanados (rango entre m a ), son usados los micro óhmetro equipos diseñados para facilitar la medida de resistencias bajas.
Figura 4. Micro Óhmetro modelo 6255.
La conexión del equipo se realiza de tal manera que permita la medición de las fases U-V, V-W y W-U. Posteriormente se realiza la comparación de las mediciones entre cada fase y si la diferencia entre cada una es mayor al 3%, esto indica un posible problema de contacto. Esta prueba es guiada con las normas IEEE Std 118-1978 e IEEE Std 115-2009.
Finalmente, se debe tener en cuenta que como la prueba es un método comparativo, hay que corregir los valores de resistencia con la temperatura para comparar los resultados. Durante la prueba se puede hacer uso de una cámara termográfica para confirmar los resultados y hallar las fallas más fácilmente [1].
En la figura 5 y 6 puede verse evidenciado un ejemplo del tipo de falla que se detecta con la prueba de medición de la resistencia de devanados, en donde la fase “W” representa una diferencia elevada con respecto a los valores obtenidos en la fase “U” y “V”, indicando una posible falla de contacto que para este caso es ocasionada por una soldadura inadecuada entre devanados.
Figura 5. Medición de la resistencia del devanado con 100 A (fase W con contacto de soldadura deficiente) - Tomado de [1] .
Figura 6. Contacto de soldadura deficiente -Tomado de [1].
CONCLUSIONES
Las pruebas de diagnóstico de devanados de estator y rotor son importantes ya que permiten detectar fallas que pueden afectar las máquinas eléctricas a corto, mediano y largo plazo, logrando ser una guía que permite hallar los posibles motivos de la presencia de puntos calientes en las máquinas eléctricas, un indicativo del estado del aislamiento del devanado, falsos contactos y problemas de soldadura de devanados. Estas pruebas permiten facilitar el procedimiento de inspección ya que las fallas eléctricas no siempre son visibles y es por esto que la implementación de técnicas de diagnóstico como lo son las pruebas de medición de resistencia de aislamiento, medición de índice de absorción e índice de polarización y resistencia de devanado, se vuelven indispensables para tratar novedades en la máquina oportunamente.
De acuerdo a “la curva de la bañera”, es necesario hacer control de pruebas cada cierto tiempo para dar trazabilidad de los parámetros indicativos de posibles fallas en las máquinas eléctricas y lograr minimizar la tasa de fallas que puede sufrir este activo. Queda evidenciado, que incluso siendo nuevas las máquinas es necesario realizarle pruebas antes y durante su puesta en marcha ya que en esta fase es donde se encuentra una gran tasa de fallas y es necesario evaluar cómo la máquina se comporta.
BIBLIOGRAFÍA
[1] OMICRON. “Pruebas de diagnóstico y monitoreo de máquinas rotativas” (2020).
[2] Kuchenbecker, W. E. “CRITERIOS PARA EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE AISLAMIENTO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTANTES PARA LA REALIZACIÓN DE SERVICIOS”. WEG. (2020).
[3] OMICRON. “Pruebas eléctricas convencionales en devanados de estator ” (2020).
[4] Resistencia del aislamiento del motor – MYG Inc Motores Eléctricos. (s.f.). MYG Inc Motores Eléctricos. https://motoresygeneradores.com/resistencia-del-aislamiento-del-motor/#:~:text=La%20medición%20de%20la%20resistencia,y%20la%20tierra%20del%20motor.
[5] International Electrotechnical Commission. "IEC 60034-1: rotating electrical machines, Part 1: Rating and performance." International Electrotechnical Commission: London, UK (2010).
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