Sin una prueba de alto voltaje muchos de estos problemas pasarán desapercibidos. Así que es importante conocer sus pruebas. Echemos un vistazo a la prueba de resistencia de aislamiento, a la prueba de índice de polarización, a la prueba de alto potencial de DC y a la prueba de carga, y resumir los tipos de problemas que pueden y que no pueden encontrar.
Introducción
Antes de hacer una decisión lógica acerca de qué clases de pruebas deben ser realizadas en motores para predecir fallos eléctricos, usted debe entender lo que ocasiona que estas fallas ocurran. También es importante entender los diferentes grupos de aislamiento, el proceso de desgaste del aislamiento y revisar los escenarios típicos de falla. Sólo entonces se pueden tomar las decisiones en cuanto a que pruebas deben ser incluidas.
Los Grupos de Aislamiento
El sistema de aislamiento de un motor consiste en el aislamiento de tierra a la pared, el aislamiento de fase a fase y el aislamiento de vuelta a vuelta. En una típica inducción de motor el aislamiento a la tierra de la pared es el forro de papel de ranura que protege el cobre aislado a tierra. La Fase a Fase es a menudo una hoja de papel de aislamiento que es colocada entre las fases. La conexión más débil en el sistema de aislamiento es a menudo el aislamiento de vuelta a vuelta. Esta es el esmalte en el cobre de un motor aleatorio de embobinado o el esmalte y la cinta encontrada en forma de serpentines. El propósito de este aislamiento es de proteger las fallas de cobre a cobre.
Para probar apropiadamente el sistema total de aislamiento, varias pruebas diferentes deben ser realizadas. El aislamiento a tierra de la pared puede ser probado con un megohmmetro para determinar los valores de la resistencia del aislamiento, una prueba del índice de la polarización para evaluar la elasticidad del aislamiento, y una prueba de alta tensión de DC para probar la fuerza dieléctrica del aislamiento a algún nivel predeterminado. El aislamiento de la fase a fase puede ser probado también con parte de las mismas pruebas mencionadas previamente si el motor es desconectado completamente. En la mayoría de los casos de mantenimiento predictivo esto no será el caso y el aislamiento de fase a fase debe ser probado en la misma manera como el aislamiento de vuelta a vuelta. La prueba de carga es la única prueba disponible de aislamiento de vuelta a vuelta.
El Proceso de Desgaste del Aislamiento
El proceso de desgaste del aislamiento puede ser afectado por uno o más de los siguientes cinco factores:
- Contaminación: Un depósito químico en el bobinado que causa deterioro en el aislamiento.
- Mecánico: Vibración o movimiento en el bobinado o motor que usa el sistema de aislamiento.
- Desgaste térmico normal: E lento deterioro del aislamiento sobre el período de vida normal del a través de la operación normal.
- Desgaste termal prematuro: Temperaturas excesivas del bobinado causando una falla prematura.
- Picos de sobre voltaje: Cargas de alto voltaje causadas por cambios, luces y diseño del VFD.
Estos cinco factores deben ser considerados cuando se diseña un programa de prueba. Miraremos los procesos de desgaste térmico normales y como son afectados por los factores mecánicos, desgaste prematuro termal y picos de sobre voltaje. Nos concentraremos en los problemas no relacionados con la contaminación.
¿Qué hace que los motores fallen?
Las fallas eléctricas son las responsables entre el 35% a 40% de todas las fallas motrices. Estos mismos estudios, algunos remontados hacia 1936, a menudo muestran que muchas de estas fallas del bobinado comienzan como un corto de vuelta a vuelta ocasionados por una carga inclinada pronunciada debido a la conmutación 2. En los años sesentas, la toma de medidas de estas cargas muestran picos de 0,5 microsegundo hasta de 5 por unidad.
Nota: Al discutir sobre la fuerza dieléctrica y picos de voltaje en este artículo la medida de "pu" será utilizada. Una por unidad (pu) es la línea de al voltaje a tierra.
Estas cargas inclinadas son causadas por una variedad de fuentes. La causa más común y principal de avería del aislamiento de vuelta interna son las cargas de conmutación 3. Estas cargas de conmutación pueden ocurrir al abrir y cerrar los contactos. El reencendido creará múltiples cargas.
Los estudios muestran que estas cargas recorrerán de 1 a 5 pu con aumentos de tiempo de 0,1 a 1 un micro segundo. Un motor 4160V verá cargas de hasta 17,000V.
En operación normal, un serpentín típico sólo verá de 10 a 100V vuelta a vuelta. La ley de Pashens indica que una diferencia de 350V es requerida para iniciar un arco. (Ver la Figura 1). Con esta pequeña diferencia potencial un motor no debe fallar debido a cortos de vuelta a vuelta en operación normal. Es la combinación de un aislamiento débil y las cargas inclinadas que aceleran el deterioro natural del aislamiento - llevando finalmente a las fallas eléctricas del motor.
La abrasión mecánica dentro del embobinado es otro mecanismo de deterioro que opera en el aislamiento del motor. En el arranque una acción que aprieta causada por las fuerzas magnéticas causará el desgaste entre los componentes móviles 4. El campo magnético cambia 120 veces por segundo causando que esta opresión ocurra cada vez. Aunque el desgaste exista entre el bobinado y el aislamiento a tierra, los estudios muestran que menos del 17% del aislamiento a tierra sea debido a este movimiento. Es el aislamiento vuelta a vuelta el que es muy afectado por este tipo de abrasión.
Como se indico previamente, la diferencia potencial de la vuelta a vuelta durante la operación normal no es suficiente causa de una falla del aislamiento de la vuelta a vuelta en un motor. Sólo los picos tendrán un nivel de voltaje suficientemente alto para causar esta clase de problema. Al Añadir el estrés a esta vuelta a vuelta en la distribución no lineal del voltaje a través de la fase. En un estudio realizado por Christiansen y Pedersen 5, fue concluido que el tiempo de la subida de los picos determinará cómo el voltaje se propaga sobre los bobinados. Como se muestra en la figura 2, mientras más rápido es el tiempo de subida menos lineal es el voltaje dividido sobre el serpentín.
Escenario típico de una falla eléctrica
Cuándo un motor es nuevo la fuerza dieléctrica del sistema de aislamiento es muy alta. En una fuerza típica de aislamiento de vuelta a vuelta de un motor 4160V está sobre 34KV. Con el tiempo el aislamiento se deteriora debido al proceso de desgaste térmico normal. El exceso de contaminación y el énfasis mecánico causarán un deterioro más rápido. Esto continuará hasta que finalmente el aislamiento se haya deteriorado a un nivel que es afectado por las cargas (ver la figura 3).
En este momento cada carga tendrá como resultado un arco que causa más deterioro al aislamiento. Cuándo el aislamiento de vuelta a vuelta se erosiona a un nivel al voltaje operacional, los conductores se soldarán causando la falla rápidamente debido a la alta corriente inducida. (Ver la figura 4).
¿Prueba de Alto Voltaje?
De las cuatro pruebas revisadas en este artículo, sólo dos son consideradas para ser de "alto voltaje". Es importante entender lo que cada una de estas pruebas pueden y no pueden hacer. Es la combinación de las pruebas correctas que ayudarán a encontrar la meta.
Prueba de Resistencia del Aislamiento
Desarrollada a inicios del siglo XX, la prueba de resistencia de aislamiento (infrarrojo) es la más vieja y la más difundida y utilizada para valorar la calidad del aislamiento a tierra. En esta prueba, el marco motriz es aterrizado, y el instrumento de la prueba (megohmmetro) impone un voltaje de DC en los bobinados motrices. La lectura de salida del instrumento es proporcionada en megaohmios.
El sonido de un bobinado rinde una lectura de salida en centenares, o en miles, de megaohmios. Para el embobinado aleatorio y la mica asfáltica el estándar "ANSI/IEEE 43 del IEEE recomendaciones para la Práctica para Prueba de la Resistencia de Aislamiento para máquinas rotatorias" prescribe 1 megaohmio más 1 megaohmio por KV del rango de voltaje del motor como una lectura mínima aceptable. 100μ para los modernos embobinados son aceptables. Por ejemplo, la resistencia aceptable mínima para un motor 460V es 1,46 megaohmios. La prudencia, sin embargo, dicta que el motor debe de ser retirado del servicio para la reconstrucción del bobinado mientras que el bobinado a tierra esta aun por encima del valor aceptable mínimo.
Las lecturas de la prueba de infrarrojo son sumamente sensibles a la temperatura y la humedad. Para lecturas exactas y significativas, la prueba debe ser realizada cuando el motor ha estado fuera de servicio por un período de tiempo suficientemente largo para haber alcanzado la temperatura ambiente. Para impedir la condensación, la temperatura debe estar encima del punto de rocío. Las lecturas infrarrojas obtenidas entonces deben ser corregidas a una temperatura uniforme de acuerdo con las tablas en las formulas del IEEE 43. Esta prueba es solo una prueba de aislamiento a tierra y no tiene valor para determinar la calidad del aislamiento de la vuelta a vuelta.
Prueba del Índice de Polarización
Esta prueba de diez minutos de DC es realizada en un voltaje inferior que la prueba de voltaje máximo de acuerdo con IEEE43. Para más información de niveles exactos de voltaje ver la tabla disponible en IEEE43. Una lectura del megaohmio es tomada en un minuto y otra vez en diez minutos para determinar la elasticidad del aislamiento a tierra. Cuándo es colocado en un campo eléctrico, las moléculas del aislamiento a tierra se deben alinear con ese campo. (Ver la figura 5) Si el aislamiento presenta desgaste, dureza, y esta quebradizo, ninguna polarización puede ocurrir.
El Índice de Polarización es la proporción de la lectura de la resistencia del aislamiento de diez minutos dividida por la lectura de un minuto. Sobre el período de 10 minutos esta lectura debe aumentar por un factor de dos o más dando un "PI" de dos o más. Si el aislamiento es muy quebradizo el índice de polarización será uno o poco de uno, indicando que la polarización no sucedió (ver la figura 6). Esta prueba también sólo ve el aislamiento de tierra y no verá los problemas en el aislamiento de vuelta a vuelta.
Prueba de Alto Potencial DC (HiPot)
La primera de las dos pruebas de "alto voltaje", la prueba de DC HiPot puede destapar las debilidades del aislamiento que quizás no necesariamente fueron detectadas en un procedimiento infrarrojo ni en el de PI. Además de medir la resistencia general del aislamiento a tierra, proporciona información en la fuerza dieléctrica del aislamiento. En este sentido, puede detectar las debilidades del aislamiento que son probables de fallar a tierra si esta sujeta a las cargas de alto voltaje transitorias que ocurren comúnmente en sistemas industriales de energía.
Con esta prueba, el marco motriz es aterrizado, y un voltaje de DC es aplicado gradualmente en incrementos hasta el máximo del voltaje recomendado de la prueba IEEE Std 95 "Práctica Recomendada para Probar el Aislamiento de AC en maquinaria grande rotatoria con Alto Voltaje dirigido" recomienda el voltaje máximo de la prueba en 1,5 X 1,7 Vline X. En cada paso hasta este voltaje, la corriente de merma en micro amperes es leída y graficada contra el voltaje correspondiente de la prueba de DC.
El gráfico resultante debe ser una línea recta. La magnitud de la corriente de merma y la cuesta resultante de la línea no es la única consideración. El criterio de importancia es que el gráfico es, de hecho, una línea recta. Un auge brusco en el ascenso del gráfico indica un desperfecto del aislamiento. La prueba debe ser abortada inmediatamente para prevenir que el bobinado falle bajo la prueba. El motor puede regresar al servicio, pero el reacondicionamiento del bobinado o su reemplazo debe ser planificado a la brevedad.
El número de pasos distintos en los que la prueba es realizada es opcional. Sin embargo, tomando más pasos en rendimientos más pequeños de incrementos de voltaje se obtienen mejores resultados y aminora la posibilidad de que la prueba de voltaje se pasa de la raya. La mayoría de los juegos de prueba de alto potencial incorporan interruptores de sobrecarga para proteger el bobinado si una debilidad es detectada. El más sensible de estos circuitos protectores puede operar cuándo la merma de corriente es tan baja como un micro ampere. El DC HiPot es también una prueba que sólo mira la tierra de pared y es de ningún valor para el aislamiento de la vuelta a vuelta.
Prueba de Carga
Aunque la prueba de comparación de carga fue desarrollado hace más de 80 años, es la prueba clásica más nueva realizadas para determinar la condición del aislamiento del bobinado. Esta prueba detecta los defectos de la vuelta a vuelta, rollo a rollo, y fase a fase que no pueden ser descubiertos por otros métodos.
La Prueba de comparación de carga se basa en la premisa del principio que en un estator sin ningún defecto del bobinado, las 3 fases del bobinado son idénticas. Esto es útil para el estator de forma de bobina sin rotores instalados. Cada fase es probada contra las otras – A-B, B-C, y A-C. El instrumento de la prueba impone un pulso breve de voltaje en la fase que experimenta la prueba y se reflejan pulsos en la pantalla del osciloscopio de instrumento. Si dos bobinados son idénticos (como debe ser), las imágenes reflejadas son idénticas y aparecen como una sola huella.
Este método de comparación ha sido utilizado en talleres motrices que reparan motores por más de 40 años. Cuando se usa un probador de carga como un instrumento predictivo de mantenimiento, la prueba no requiere la comparación de dos formas de onda. Una prueba más sencilla es realizada que busca un cambio a la izquierda por la forma de ondas de la fase que esta siendo probada. Este cambio indica que la fuerza dieléctrica del aislamiento de la vuelta a vuelta ha empeorado a un nivel debajo de las cargas de conmutación. Una vez que el aislamiento se ha debilitado a este punto, se necesitan tomar las decisiones con respecto al futuro del motor. Con la actual tecnología digital es posible adquirir los datos de la fase bajo la prueba en varios niveles de voltaje y juntarlos. Esta técnica es valiosa en detectar y documentar este cambio a la izquierda.
Conclusión
Al probar un sistema de aislamiento de motor, es importante que se realicen las pruebas correctas. El entender que el motor muestra voltajes de hasta 5pu, es importante que el sistema de aislamiento sea capaz de manejar el estrés más alto que su voltaje de operación normal. Como se mostró en este artículo, si la prueba de alto voltaje no es realizada, es casi imposible detectar el aislamiento débil anticipado a la falla.
De las cuatro pruebas discutidas en este artículo tres conciernen al aislamiento a la tierra de pared sin ninguna consideración para la vuelta a vuelta. La prueba de carga es la única prueba que mira el aislamiento de vuelta a vuelta. El aislamiento de vuelta a vuelta es la causa primordial de un alto número de fallas eléctricas. Esta prueba simula características de una carga en el arranque, haciéndola una prueba apropiada para el descubrimiento prematuro de un aislamiento débil.
Referencias:
1. Schump, David E., “Predict Motor Failure With Insulation Testing, “Plant Engineering Magazine, September, 1996.
2. Zotos, Peter A., Member IEEE, Motor Failures Due to Steep Front Switching Surges: The Need for Surge Protection User’s Experience, “ IEEE Transactions on Industrial Applications, Volume 30, Number 6, Nov/Dec 1994.
3. Kema, N.V., Arnhem The Netherlands, H.G. Tempelaar, “Determining of Transient Over Voltages Caused by Switching of High Voltage Motors.”
4. Crawford, D.E., General Electric company, “Mechanisms of Motor Failures.”
5. Christiansen, K.A. and Pederson, A., “An Experimental Study of Impulse Voltage phenomena In A Large AC Motor.”
Curt Lanham es presidente de Baker Instrument Company. Miembro de la IEEE y graduado de la Universidad de Missouri Western, Curt ha trabajado en la industria del mantenimiento predictivo en los últimos 16 años. A impartido seminarios en estas materias en más de 10 países y a través de los Estados Unidos de América. Curt puede ser contactado en clanham@bakerinst.com
