Ensayos en AC
El inicio del siglo XXI llegó marcado de la implementación y de un desarrollo exponencial de la tecnología de microprocesadores que permitió que muchos de los instrumentos de prueba con tensión AC fuesen más portátiles y disponibles en el mercado.
Ensayo de tangente delta
El ensayo de tangente delta descrito en IEEE Std. 286-2000(R2012) fue el primer ensayo con tensión AC que llenó casi todos los vacíos que dejaban los anteriores ensayos con tensión DC. Fue revolucionario al permitir una mayor comprensión de la condición del aislamiento sin la necesidad de realizar elevaciones de alto potencial que comprometieran la integridad del aislamiento de los devanados que estuviesen en servicio de operación por x cantidad de años.
¿Recuerdan a la corriente capacitiva geométrica IG que no podíamos analizar durante el ensayo de resistencia de aislamiento realizado con tensión DC, lo cual nos impedía analizar la capacitancia que es una de las principales características de un aislador?. Con el ensayo de tangente delta se aborda de lleno el análisis de esta característica a través del análisis del ángulo de pérdidas δ ilustrado en la Figura 3. La resistencia RP representa las pérdidas dieléctricas debidas a la absorción dieléctrica y conductividad del aislamiento, fenómeno que ocurre en forma permanente debido a que el campo eléctrico generado por la tensión sinusoidal aplicada al aislamiento produce una histéresis en el proceso de acumulación de cargas dentro un condensador no ideal, la cual genera un calentamiento del aislamiento debido a la rotación de las moléculas polares. Este comportamiento de la capacitancia con tensión AC (muy diferente al fugaz comportamiento con tensión DC) nos permite conocer el estado de la estructura interna del aislamiento y su comportamiento durante la operación, algo que los ensayos en DC serían incapaces de mostrar.
El valor de la tangente del ángulo de pérdidas (tan δ) es típicamente de 0.5% para aislamientos impregnados de epoxi y poliéster, y de 3 a 5% para devanados de mica asfáltica. Si el valor de tan δ se mantiene constante en el tiempo sobre una misma base de medición (kV, Hz, °C, HR), es una indicación de que no se presenta envejecimiento térmico ni ingreso de humedad y/o contaminación en el devanado. Si hay incremento del valor de tan δ en el tiempo, es una indicación de que se está presentando un sobrecalentamiento en el devanado o hay ingreso de humedad y/o partículas conductivas contaminantes. Se da a lugar un deterioro importante cuando el valor de tan δ se incrementan un 1% del valor inicial. Si el valor de la capacitancia tiende a disminuir con el paso del tiempo mientras que el valor de la tan δ se incrementa, este es un fuerte indicativo de deterioro general por envejecimiento térmico. Si ambos, tanto la capacitancia como tan δ se incrementan entre mediciones con el paso del tiempo, este es un poderoso indicador de que el devanado ha absorbido humedad o está contaminado. El valor de tan δ es un indicativo de la condición promedio del aislamiento de un devanado, por lo que las pérdidas adicionales de una bobina seriamente sobrecalentada cuando el resto de las bobinas se encuentran en buenas condiciones será pequeño, por lo que esta prueba no detectará o no permitirá identificar si hay unas pocas bobinas deterioradas.
El valor inicial de la tangente del ángulo de pérdidas (tan δ) es normalmente consistente con el sistema de aislamiento particular que está siendo medido y, por ello, es usado como prueba de calidad durante sus procesos de fabricación. Algunos de los factores que pueden incrementar el valor de tan δ durante el proceso de fabricación a un mismo nivel de tensión de prueba, son:
- Impregnación deficiente.
- Curado incompleto.
- Uniones inadecuadas.
- Formación de huecos.
- Grietas y fisuras.
Durante la vida de servicio de un motor eléctrico de media tensión, algunos de los factores que pueden incrementar el valor de tan δ del aislamiento a un mismo nivel de tensión y frecuencia de prueba, son:
- Delaminación.
- Contaminación.
- Humedad.
- Envejecimiento térmico.
Antes de continuar pensemos en lo siguiente:
A la altura de este análisis, alguien analítico se cuestionará y pensará que hasta ahora el ensayo de tan δ ofrece indicaciones de humedad, contaminación y envejecimiento térmico del aislamiento que ya nos ofrecía el ensayo en DC de resistencia de aislamiento e índice de polarización con una inversión (en instrumentación y capacitación) considerablemente menor. Pero precisamente aquí viene lo más interesante: problemas como delaminación, grietas y fisuras, impregnación deficiente y huecos, sí pueden ser inferidos a través del ensayo de tan δ con un nivel de tensión seguro que no compromete la integridad del aislamiento del motor y que se puede realizar en cualquier momento del ciclo de vida, algo que definitivamente se podría lograr con ensayos DC pero de alto potencial y estaría restringido solo a fábrica o en un taller especializado con el motor desarmado, de lo contrario su realización se daría con altas probabilidades de generar un fallo irreversible del aislamiento durante el ensayo de alto potencial DC.
Ensayo Tip-Up
El ensayo tan δ para un aislamiento en relativas buenas condiciones nos da un valor que no es dependiente de la tensión aplicada por lo que la tangente del ángulo de pérdidas estará asociado principalmente a las pérdidas debidas a la absorción dieléctrica y conductividad del material, y a estas pérdidas dieléctricas se le sumarán todas las demás asociadas como la contaminación, humedad y envejecimiento térmico en caso de estar presentes. Un incremento en el nivel de tensión de prueba, normalmente, genera un pequeño incremento de las pérdidas dieléctricas del aislamiento sólido. Cuando existen defectos en el aislamiento sólido como lo son las resinas sin curar y la contaminación con impurezas ionizantes, un incremento en la tensión de prueba genera un acusado incremento de las pérdidas dieléctricas. Lo anterior nos muestra que cuando un incremento en la tensión de prueba genera un incremento no muy pronunciado del valor de la tan δ, estamos frente al fenómeno de descargas parciales originadas en los defectos internos del aislamiento, como se observa en la siguiente ecuación:
En las cavidades o huecos dentro del aislamiento propios durante su proceso de fabricación, cuando se aplica un campo eléctrico, los átomos neutros adquieren un tipo de carga (positiva o negativa) generando una ionización gaseosa dentro de la cavidad y cuando se excede la tensión crítica de estrés dentro de la cavidad del aislamiento se produce una descarga eléctrica que puede ser repetitiva y generando ozono. Estas descargas eléctricas internas, aunque individualmente son pulsos de un nivel de tensión y corrientes muy pequeñas, muchas de ellas, y si son repetitivas, tienen el potencial de incrementar las pérdidas dieléctricas del aislamiento que, junto con el ozono que producen, desembocan en un mecanismo acelerado de deterioro eléctrico, térmico y químico en forma simultánea del sistema de aislamiento principal.
En la Figura 4 se presenta el comportamiento de la tan δ medida en Tip-Up y Tip-Down para dos sistemas de aislamiento similares, pero en el que uno presenta un alto nivel de actividad de descargas parciales (azul) y el otro un bajo nivel de actividad de descargas parciales (amarillo). En la medición graficada en color amarillo se observa que el Tip-Up y Tip-Down permanecen casi que constantes y un ∆ tan δ inferior a 1%, mientras que la medición en azul encontramos que el Tip-up y Tip-Down no son iguales y el ∆ tan δ es superior a 2% lo que significa que hay actividad de descargas parciales en el sistema de aislamiento, máxime cuando los valores de tan δ Tip-Down son superiores a los de Tip-Up como se aprecia en los escalones de tensión de 4, 5 y 6 kV.
El hecho de identificar la presencia o ausencia de actividad de descargas parciales en un sistema de aislamiento sin aplicar ensayos de sobretensión DC que pongan en riesgo la integridad de un activo que se encuentra en sitio de operación es ya un logro, pero aún hay más ventajas.
Un ensayo de alto potencial DC a tensión escalonada, el cual se recomienda porque es el que menos estresa el aislamiento con tensión DC, es incapaz de identificar cuál es la causa de la falla, por ejemplo, si el aislamiento presenta fallas por delaminación, grietas y fisuras, huecos. En cambio, si al ensayo Tip-Up le agregamos un análisis de Fase Resuelta soportados en la instrumentación de medición de Descargas Parciales Off-Line, podemos identificar conforme a su patrón si tenemos problemas por delaminación, huecos, abrasión, descargas superficiales en las cabezas de bobinas o en ranuras, tracking, entre otras.
La implementación de rutinas de ensayos AC dentro de un plan CBM de motores de media tensión tiene unos beneficios inconmensurables y alcances en el diagnóstico del aislamiento principal de los devanados como nunca se había visto en los últimos 130 años de desarrollo de la tecnología desde la aparición del primer megóhmetro portátil.
¿Ya tienes implementado en tu CBM los ensayos de tan δ, Tip-Up/Tip-Down y análisis de fase resuelta de descargas parciales en tus motores de media tensión?
¿Solicitas que dentro de los protocolos de pruebas de mantenimiento y reparación en taller especializado practiquen los ensayos de tan δ, Tip-Up/Tip-Down y PRDP en tus motores eléctricos de media tensión para asegurar la calidad de los procesos?
Es un buen momento para pensar en estos interrogantes...
Hasta aquí solo hablamos del aislamiento principal, ¿Qué hay del aislamiento entre espiras?, próximamente abordaremos de lleno este tema con las recientes actualizaciones de ANSI e IEC.
Referencias bibliográficas:
- [1] “Monitoring und Diagnose Elektrischer Maschinen und Antriebe” Allianz Schadensstatistik an HS Motoren, 1996–1999, in VDE Workshop, 2001.
[2] Electrical Insulation for Rotating Machines, GREC C STONE, IEEE PRESS, 2004.
[3] IEEE Std 43-2013: Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Electric Machinery.
[4] IEEE Std 95-2002(R2012): Recommended Practice for Insulation Testing of AC Machinery (2300 V and Above) with High Direct Voltage.
[5] IEEE Std 286-2000(R2012): Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation.
[6] IEEE Std 1434-2014: Guide for Measurement of Partial Discharges in AC Electric Machinery.
[7] ANSI/EASA AR100-2020: Recommended Practice for the Repair of Rotating Electric Apparatus
8] Recommended MTM: Articulo Ing. Pablo Villegas
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Ing. Jaime Herrera Benjumea
Director Técnico y de Operaciones
Transequipos S.A.