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Captulo 5: Pruebas de aislacin a mquinas elctricas.

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CAPTULO 5. PRUEBAS DE AISLACIN A MQUINAS ELCTRICAS.

5.1 INTRODUCCIN.

Este captulo describe las principales pruebas existentes para determinar la condicin de

la aislacin de los devanados de rotor y estator de una mquina CA. Las diferentes pruebas son clasificadas de acuerdo a la condicin en que se encuentra la

mquina al momento de realizar la prueba, es decir, si la prueba se debe realizar con la mquina fuera de servicio se denomina prueba Off-Line o fuera de lnea, y si la mquina se puede encontrar operando normalmente al momento de realizar la prueba se denomina prueba On-Line o en lnea.

Adems, se describir el propsito, mtodo e interpretacin de resultados de cada prueba, y se especificar para qu tipo de devanado y/o mquina es til realizarla. En el Anexo 2 se puede encontrar contenidos del IEEE Std. 56: Gua para el Mantenimiento de la Aislacin de Grandes Mquinas Rotatorias CA (10.000 kVA y mayor) [5.2], en donde se hace un compilado de los mtodos ms comunes que se aplican en diferentes mquinas para evaluar el estado de su aislacin.

5.2 PRUEBAS OFF-LINE.

Se debe reiterar que para realizar todas las llamadas pruebas Off-Line o fuera de lnea

que se describen a continuacin se requiere que la mquina sea sacada de servicio al menos por un par de horas. Algunas de las pruebas se pueden realizar desde los terminales de la mquina evitando su desensamble parcial o total. Sin embargo, algunas de ellas slo pueden ser realizadas con la mquina al menos parcialmente desensamblada.

5.2.1 Resistencia de Aislacin e ndice de Polarizacin.

Este es probablemente el mtodo de diagnstico ms utilizado en devanados de motores

y generadores, puede ser aplicado a todas las mquinas y devanados, a excepcin del devanado de rotor de la mquina de induccin jaula de ardilla, ya que esta no posee aislacin. La prueba localiza exitosamente aquellos devanados que han sido mojados o contaminados, tambin es buena para detectar defectos mayores, donde la aislacin ha sido quebrada o cortada. En devanados formados que utilizan sistemas de aislacin termoplsticos los ensayos tambin pueden detectar el deterioro trmico.

El estndar IEEE 43-2000: Prctica Recomendada para ensayar la Resistencia de Aislacin de Mquinas Rotatorias., [5.3], otorga una extensa discusin de la teora del las pruebas de Resistencia de Aislacin (RA) y de ndice de Polarizacin (IP) aplicadas a las mquinas rotatorias, por lo que algunos de sus contenidos sern citados en esta seccin.

5.2.1.1 Propsito y teora del mtodo.

El ensayo de resistencia de aislamiento mide la RA entre los conductores de cobre y el ncleo de estator o rotor, segn corresponda. Idealmente el valor de esta resistencia debe ser infinito ya que el propsito de la aislacin es bloquear el flujo de corriente de los conductores al ncleo, pero en la prctica no lo es. Usualmente mientras menor es la resistencia es ms probable que la aislacin tenga algn problema.

RA es fuertemente dependiente de la temperatura, por lo que el IP fue desarrollado para hacer una interpretacin menos sensible a la temperatura.


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El ndice de polarizacin (IP) corresponde a la razn de RA medida a diez minutos y a un minuto de ser aplicado el voltaje, tal como se ve en la ecuacin (5.1).

1

10

RR

IP = (5.1) En donde R1 y R10 son las resistencias de aislacin medidas a 1 y 10 minutos desde que

es aplicado el voltaje, respectivamente. Un bajo IP indica que el devanado puede estar contaminado con polvo, aceite u otros agentes contaminantes, o empapado con agua.

En el ensayo se aplica un voltaje CD entre el conductor y el ncleo de estator o rotor (usualmente por medio de la carcaza del motor), luego se mide la corriente que fluye por el circuito, para posteriormente calcular la resistencia de aislacin al tiempo t (Rt) mediante la Ley de Ohm, tal como se muestra en la ecuacin (5.2) [5.1 y 5.3]:

tt I

VR = (5.2) En donde V es el voltaje CD aplicado e It es la corriente total que fluye medida al tiempo

t, la medicin de la corriente a diferentes tiempos se debe a que usualmente sta no es constante ya que hay cuatro corrientes diferentes que pueden fluir cuando un voltaje CD es aplicado a un material aislante [5.3]:

Corriente Capacitiva Geomtrica (Geometric Capacitance Current): cuando un voltaje CD es aplicado a un capacitor, primero fluye una alta corriente de carga, que luego decae exponencialmente. El tamao del capacitor y la resistencia interna de la fuente de voltaje, fijan la tasa de cada. La bobina de estator de un motor puede tener una capacitancia total de 100 nF, as, esta corriente decae efectivamente a cero en menos de 10 seg., adems esta corriente contiene poqusima informacin de diagnstico por lo que la resistencia inicial de aislamiento es medida una vez que la corriente capacitiva a decado. El tiempo para tomar la primera medicin de la resistencia ha sido definido en un minuto para asegurar que esta corriente no distorsione el clculo de la resistencia.

Corriente de conduccin (Conductance Current): esta corriente se debe a los electrones o iones que migran a travs del volumen de la aislacin entre el conductor y el ncleo. Corresponde a una corriente galvnica a travs de la aislacin, la cual puede fluir si la aislacin ha absorbido humedad, lo que puede pasar en los sistemas de aislacin termoplsticos antiguos, o s sistemas modernos han sido empapados con agua por muchos das o semanas, tambin fluye si hay quebraduras, cortes u orificios, en la aislacin. Esta corriente es constante en el tiempo e idealmente es cero, lo cual se da en sistemas de aislacin modernos (epoxy-mica). Si esta corriente es significativa indica que la aislacin tiene problemas.

Corriente de fuga superficial (Surface Leakage Current): corresponde a una corriente CD constante que fluye por la superficie de la aislacin, es causada por contaminacin conductora en la superficie de la aislacin (aceite, polvo hmedo, qumicos, etc.). Idealmente es cero, sin embargo, si alcanza valores muy altos inducir al deterioro de la aislacin.

Corriente de absorcin (Absorption Current): Se debe a la reorientacin de cierto tipo de molculas polares en el campo elctrico CD aplicado. Muchos materiales aislantes (asfalto, mica, polister y epoxy) contienen molculas polares que poseen un campo elctrico interno debido a la distribucin de los electrones dentro de la molcula, la energa requerida para la alineacin de las molculas proviene de la corriente de la fuente de voltaje CD, una vez que las molculas estn alineadas, la corriente deja de fluir, sta es la corriente de polarizacin, que corresponde a una componente de la corriente de absorcin. La experiencia muestra que al aplicar un campo CD a este tipo de materiales la corriente de absorcin es relativamente alta y decae a cero despus de 10 minutos aproximados. De una


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manera prctica la corriente de absorcin se comporta como un circuito RC con una gran constante de tiempo. La corriente de absorcin al igual que la corriente capacitiva, slo son una propiedad de los materiales aislantes.

La corriente total es la suma de todas las componentes descritas anteriormente, y las de mayor inters para determinar la condicin de la aislacin son la de conduccin, de absorcin y de fuga superficial. La corriente de absorcin y de conduccin pueden ser medidas de una manera elemental, descrita en el Anexo 3, el como medir estas corrientes puede ser de inters ya que la corriente de absorcin se ve muy influenciada por el estado interno del dielctrico por lo que la intensidad de la corriente de absorcin puede ser til como indicador de la evolucin del estado de degradacin interno del dielctrico.

Si las bobinas estn contaminadas o hmedas la corriente total IT ser aproximadamente constante en el tiempo ya que la corriente de fuga y/o la de conduccin sern mucho ms grandes que la de absorcin, lo que se puede apreciar en la figura 5.1. Si las bobinas estn limpias y secas la corriente total IT normalmente disminuir con el tiempo ya que la corriente total es dominada por la corriente de absorcin, lo que se puede apreciar en la figura 5.2.

Desafortunadamente el slo medir R1 es poco confiable ya que no se puede hacer una tendencia en el tiempo sobre esta medicin, debido a que R1 es fuertemente dependiente de la temperatura. El efecto de la temperatura es diferente para cada tipo de material aislante y para cada tipo de contaminacin, lo que hace imposible definir un R1 cientficamente aceptable por sobre un rango de temperaturas muy amplio. Lo que tambin hace casi intil hacer tendencias de R1 en el tiempo, a menos que se pueda asegurar el hacer la medicin siempre a la misma temperatura, para lo cual como se mencion anteriormente fue desarrollado el IP, que es la razn de la resistencia medida en dos tiempos diferentes, en donde usualmente se puede asumir que la temperatura al medir R1 y R10 es la misma, lo que hace que el IP sea insensible a la temperatura. As, si podemos ver un decaimiento en la corriente total en el intervalo de 1 a 10 minutos ste debe corresponder a la corriente de absorcin ya que la corriente de fuga y de conduccin son constantes en el tiempo, con la implicancia de que estas son menores.

Figura 5.1: Tipos de corriente para una aislacin de mica asfltica, contaminada y hmeda.


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Figura 5.2: Corrientes tpicas para un aislamiento de epoxy-mica con una corriente de fuga

relativamente baja y sin corriente de conduccin. La RA medida usualmente se incrementar rpidamente cuando el voltaje sea aplicado,

y gradualmente se aproximar a un valor relativamente constante a medida que el tiempo avance, lo que se puede apreciar en la figura 5.3, las lecturas de un devanado seco en buenas condiciones pueden continuar aumentando por horas. Para aislaciones antiguas un estado con valor relativamente estacionario puede ser alcanzado en 10 o 15 minutos, en tipos de aislacin ms modernos como la epoxy-mica o polister-mica se puede alcanzar un valor constante de RA en 4 minutos o menos. Si el devanado esta mojado o contaminado, un valor estacionario pequeo usualmente ser alcanzado en 1 o 2 minutos despus de que el voltaje es aplicado (figura 5.3).

Figura 5.3: Mediciones tpicas de RA para tres diferentes sistemas de aislacin, [5.3]. El valor de la resistencia de aislacin para cualquier sistema dado, en un determinado

tiempo, vara inversamente con la temperatura del devanado. Hay un contraste entre la dependencia de temperatura de lo materiales metlicos y no metlicos, especialmente en los buenos aislantes. En los metales como hay mayor cantidad de electrones libres una mayor temperatura implica una mayor agitacin trmica lo cual reduce el patrn principal de


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movimiento de los electrones con una consecuente reduccin su movilidad y en un aumento de la resistividad, sin embargo, en los aislantes un aumento en la temperatura provee energa trmica, lo que libera portadores de carga y reduce la resistividad. Esta variacin de temperatura afecta todas las componentes de corriente excepto la corriente capacitiva geomtrica. El valor de la resistencia de aislacin de un devanado depende de la temperatura del devanado y del tiempo en que se mida desde que se aplica el voltaje. La masa trmica de la mquina bajo prueba es generalmente tan grande que la diferencia de temperatura en el devanado a 1 y 10 minutos de aplicado el voltaje, como se dijo anteriormente se considera despreciable, excepto por mediciones durante el secado de la mquina a corriente nominal. Para evitar los efectos de la temperatura en anlisis de tendencias, pruebas subsecuentes deben ser realizadas a temperaturas similares a las de la prueba anterior. Sin embargo, si la temperatura del devanado no puede ser controlada de una prueba a otra, se recomienda que las mediciones sean corregidas a una base de temperatura comn, a 40C, utilizando la ecuacin 5.3. Luego el valor corregido es una aproximacin, lo que permite realizar una comparacin ms significativa de la resistencia de aislacin obtenida a diferentes temperaturas.

TTC RAKRA = (5.3) Donde:

RAC : Resistencia de aislacin corregida a 40C, M RAT : Resistencia de aislacin medida a temperatura TC, M KT : Coeficiente de temperatura de la resistencia de aislacin a la temperatura

TC

El valor de KT puede ser determinado de una manera prctica, el mtodo recomendado en el IEEE Std. 43 postula que se deben realizar mediciones de RA a varias diferentes temperaturas, todas sobre el punto de roco, y graficando los resultados de RA v/s temperatura en una escala semi-logartmica. Cuando se utiliza una escala logartmica para la RA y la escala lineal para la temperatura los puntos de las mediciones deben aproximar una lnea recta que puede ser extrapolada para obtener el valor de RA corregido a 40C.

Si los efectos de la temperatura en el sistema de aislacin son desconocidos un valor aproximado del coeficiente de temperatura KT puede ser obtenido utilizando el grfico de la figura 5.4, en donde la resistencia se reduce a la mitad por cada 10C de incremento en su temperatura, en el Anexo 1, se pueden encontrar las lneas de regresin de Arrhenius, porcentaje de vida y envejecimiento versus temperatura, para diferentes clases de aislacin. Se debe notar que este mtodo es slo una aproximacin y no debe ser utilizado para calcular RA a temperaturas muy diferentes de 40C ya que se podran inducir errores significativos.


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Figura 5.4: Coeficiente de temperatura aproximado, KT, para aislacin reducindose a la

mitad por cada 10C de aumento en la temperatura, [5.10]. Tambin se puede aproximar KT para la RA reducindose a la mitad por cada 10C de

aumento de temperatura aplicando la ecuacin (5.4).

10/)40()5.0( TTK= (5.4)

Para temperaturas de devanado bajo el punto de roci es difcil de predecir el efecto de

la humedad condensada en la superficie por lo que un intento por corregir el valor a 40C introducir un error inaceptable, en tales casos se recomienda que las mediciones de la mquina tomadas en igualdad de condiciones sea el factor predominante en determinar si la mquina es o no retornada al servicio. Pero dado que la contaminacin por humedad normalmente disminuye la RA y/o el IP, es posible corregir RA a 40C para compararlo con los criterios de aceptacin correspondientes.

Cabe mencionar que no hay manera de convertir una RA medida a una cierta humedad a una RA que podra ocurrir a diferente valor de humedad.

5.2.1.2 Mtodo del ensayo.

La prueba consiste en aplicar un voltaje relativamente alto entre el conductor del devanado y el ncleo de rotor o de estator, usualmente a travs de la carcaza de la mquina. Luego se mide la corriente que fluye por el circuito, la RA al tiempo t esta definida en la ecuacin 5.2.

La RA es medida con una fuente de alto voltaje CD y un ampermetro sensible, la fuente CD debe tener un voltaje muy regulado y el ampermetro debe medir corrientes menores a un nanoamper. Hay muchos equipos disponibles en el mercado para este propsito especfico, son llamados megaohmetros, tambin son conocidos como Megger que corresponde a la marca del primer instrumento desarrollado para este propsito. Algunos instrumentos pueden aplicar voltajes que superen los 10 kV y medir resistencias superiores a 100 G.

Para devanados de estator la mejor manera de realizar la prueba es desde los terminales de la mquina, preferentemente una fase a la vez, con el resto de los equipos como cables y transformadores desconectados. Si el motor est equipado con condensadores estos deben ser desconectados antes de realizar las pruebas, lo cual se puede hacer desconectando las


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puntas de alto voltaje del capacitor o temporalmente aislando de tierra el lado de bajo voltaje del capacitor. Para devanados de rotor, la prueba se realiza desde los anillos deslizantes.

Los resultados de los ensayos de RA e IP dependen fuertemente de la humedad ambiental. Si la temperatura del devanado es menor que la del Punto de Roco, 13C, para una humedad ambiental relativa de 60% a 21C, no hay manera de corregir los valores de R1 y R10 para ese nivel de humedad y el ensayo deber ser repetido a una temperatura superior y probablemente ser necesario calentar el devanado de alguna manera para secar la humedad que ha sido condensada en l, por lo que se recomienda siempre realizar los ensayos a una temperatura superior a la de roco. Los niveles de voltaje recomendados para aplicar en el ensayo se pueden apreciar en la tabla 5.1, [5.3].

Tabla 5.1: Gua de niveles de voltaje CD aplicados

en ensayos de resistencia de aislacin, [5.3]. Voltaje de Devanado

(V)* Voltaje directo en ensayo

de resistencia de aislacin (V)

12000 5000-10000

* Voltaje lnea a lnea para mquinas CA trifsicas, de lnea para mquinas CA monofsicas, y voltaje directo para

mquinas CD o devanados de campo. Despus de realizada la prueba el devanado debe ser aterrizado por lo menos cuatro

veces el tiempo que estuvo bajo excitacin, la remocin prematura de la conexin a tierra puede llevar a un choque elctrico y puede ser peligroso para quien manipule la mquina.

5.2.1.3 Interpretacin de resultados.

Dada la existencia de materiales aislantes modernos que no poseen corriente de conduccin, mientras no haya trizaduras u orificios, es posible que para un devanado limpio y seco tener una R1 prcticamente infinita (mayor que 100 G), para este valor, calcular el IP es poco realista y confiable, pero para sistemas de aislacin antiguos (hechos antes de los 70s) no es as, por lo que la persona que realiza el ensayo debe establecer que tipo de sistema de aislacin es utilizado en el devanado a ensayar o al menos obtener la fecha de fabricacin aproximada del devanado antes de interpretar los resultados.

Los valores de IP y de R1 mnimos recomendados para que la mquina sea puesta nuevamente en servicio o para aplicar otros ensayos de alto voltaje, se presentan en las tablas 5.2 y 5.3 respectivamente.

Tabla 5.2: Valores mnimos de IP recomendados, [5.3].

Clase de aislacin IP mnimoClase A 1.5 Clase B 2.0 Clase F 2.0 Clase H 2.0

Tabla 5.3: Valores mnimos de RA recomendados, [5.3].


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Resistencia mnima de aislacin

Espcimen ensayado

1min1 += kVRA Para la mayora de los devanados hechos antes de 1970, todos los devanados de campo, y otros no descritos abajo

100min1 =RA Para la mayora de los devanados de armadura CD y devanados CA construidos despus de 1970 (devanados formados)

5min1 =RA Para la mayora de las mquinas con devanado aleatorio y para devanados formados de menos de 1 kV

Notas: 1- RA1min es la resistencia mnima de aislacin recomendada en M y referida a

40 C. 2- kV es el voltaje rms entre terminales en kV.

Comentarios: Si el valor de R1 es menor al mnimo recomendado, implica que el devanado no debe

ser sometido a ensayos de Hi-Pot y no debe retornar al servicio ya que puede ocurrir una falla.

El valor mnimo de R1 es el valor corregido a 40C, desafortunadamente una correccin de ms de 10 o 20C es dudoso que sea valida.

El mnimo aceptado de R1 es mucho menor para estatores antiguos que para los nuevos. Para estatores modernos el mnimo aceptable slo depende de si es de devanado formado o aleatorio.

Para estatores formados modernos si se mide una R1 muy alta (mayor 5G) el IP no indicar nada respecto a la condicin de la aislacin.

Si R1 o IP es menor a lo indicado en estatores modernos, slo es una indicacin de que el devanado esta contaminado o hmedo.

Si se obtiene un alto IP en un estator antiguo existe la posibilidad de que la aislacin haya sufrido dao por deterioro trmico.

En general el ensayo de RA y de IP son una excelente manera de encontrar aquellos

devanados que han sido mojados o contaminados, tambin es bueno para detectar defectos mayores donde la aislacin ha sido quebrada o cortada. En devanados formados, que utilizan sistemas de aislacin termoplstica, el ensayo tambin puede detectar deterioro trmico. Lamentablemente no hay evidencia de que se pueda detectar, en devanados modernos, deterioro trmico u otros problemas como lo es una espira suelta. 5.2.2 Prueba Hi-Pot CD.

La prueba Hi-Pot CD es una prueba de sobretensin de carcter destructivo, que se

puede aplicar a estatores y rotores de todos los tipos, con excepcin del rotor de mquina de induccin jaula de ardilla, que carece de aislacin. En esta prueba se aplica al devanado un voltaje considerablemente superior al de operacin normal de la mquina, por lo que la idea bsica es que si el devanado no falla durante la prueba, no fallar en condiciones normales de servicio, y si falla se requerir su reparacin o rebobinado. Esta prueba se utiliza con mayor frecuencia en devanados de estator que en los de rotor.

El estndar IEEE 95-2002: Practica recomendada para ensayar la aislacin de grandes mquinas AC con alto voltaje CD, [5.4], otorga una extensa discusin de la teora de las pruebas de Hi-Pot CD aplicadas a las mquinas rotatorias por lo que algunos de sus contenidos sern citados en esta seccin.


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El ensayo de sobretensin proporciona informacin acerca de la rigidez dielctrica del sistema aislante, puede ayudar a detectar problemas como: grietas y fisuras en la aislacin, contaminacin en la superficie, resinas no curadas totalmente, absorcin de humedad, vacos y laminacin de la aislacin. El mtodo Hi-Pot CD es del tipo pasa o no pasa ya que el principio de funcionamiento de un ensayo de sobretensin es que si el sistema de aislacin tiene algn punto dbil se perforar si es sometido a una tensin suficientemente alta, lo que asegura que los mayores defectos en la aislacin que causaran una falla en servicio en un futuro cercano sean detectados en este ensayo, es decir si la mquina supera la prueba, proporciona a cierto modo una garanta de que el muro aislante puede soportar con seguridad los esfuerzos dielctricos que se producen durante el funcionamiento normal de la mquina. Se debe tener en consideracin que puede ocurrir una falla durante el ensayo, por lo que siempre se deben tener disponibles una provisin de repuestos adecuados y tiempo suficiente para reparar el dao causado y dejar el equipo preparado para ponerlo nuevamente en servicio.

Con un voltaje CD, la distribucin de tensin en la aislacin depende de la resistividad de los componentes, en cambio con un voltaje CA la distribucin del mismo depende de la capacitancia de la aislacin, por lo que las distribuciones de estrs dielctrico son bastante diferentes dependiendo de si se aplica voltaje CD o AC a la aislacin. Se ha establecido que en la mayora de las situaciones el voltaje de ruptura CD es 1.7 veces mayor al voltaje de ruptura AC.

Usualmente se prefiere realizar una prueba de Hi-Pot CD antes que una Hi-Pot CA, debido a que:

La fuente requerida para realizar la prueba CD es de menor tamao lo cual facilita su transporte dado su menor peso.

Ocurren muy pocas descargas parciales bajo voltaje CD. Al ocurrir ruptura de la aislacin durante la prueba el dao en la aislacin es menor

comparado al producido en una prueba CA. Las variaciones en la corriente medida con respecto al voltaje aplicado entrega

informacin importante para determinar el estado de la aislacin. Una comparacin entre pruebas realizadas a una misma mquina puede dar una

indicacin de la tasa de deterioro de la aislacin. Los sobrevoltajes que ocurren en los devanados de estator son de una naturaleza tal,

que aparentemente se comportan similarmente al estrs producido por un voltaje CD.

A pesar de sus ventajas, tambin posee algunos inconvenientes como lo son: Requerir en algunas ocasiones de personal especializado para interpretar

apropiadamente los resultados. La distribucin del estrs dielctrico no corresponde al cual es sometida la aislacin

durante su funcionamiento normal. Algunas grietas y fisuras en la aislacin no pueden ser detectadas hasta que estas

estn humedecidas. Es posible que vacos internos, impregnacin impropia y deterioro trmico no sean

detectados. Debido a que la prueba es realizada mientras la mquina no se encuentra en su

funcionamiento normal es posible que problemas relativos a la rotacin como espiras/barras sueltas o vibracin de cabezas de bobina no sean detectados.


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Dado que esta prueba es de carcter destructivo y retarda el retorno de la mquina al

servicio si sta no pasa la prueba, hay plantas en las que no se realiza, siguiendo la lgica de que la prueba causa una falla que podra no haber ocurrido en mucho tiempo de servicio, resultando en reparaciones o rebobinados antes de lo que realmente era necesario, lo cual es cierto. Sin embargo, quienes recomiendan estas pruebas argumentan que para muchas mquinas crticas una falla en servicio (que pudo ser evitada) puede resultar en una mayor interrupcin en la planta, ya que una falla en servicio puede causar dao en el ncleo, un incendio, o que las espiras salgan de la ranura resultando en reparaciones mucho ms costosas. Por lo que si se realiza o no esta prueba depende de que tan crtica sea la mquina para la planta, de la disponibilidad de repuestos, y de la filosofa de manejo que se tenga para prevenir paradas inesperadas.


Una prueba de Hi-Pot CD debe ser realizada con temperaturas del devanado inferior o igual a 40C, a menos que entre el usuario y el fabricante se acuerde lo contrario. La corriente de conduccin superficial aumenta bajo condiciones de humedad, particularmente si hay presente contaminacin del tipo conductora. Cuando una mquina ha estado sin uso por periodos prolongados se recomienda que sea calentada para revertir efectos de condensacin y/o absorcin de humedad.

El devanado de estator pude ser puesto a prueba con o sin el rotor en su lugar, sin embargo, si el rotor ha de ser removido por otras razones, es preferible realizar la prueba despus de que el rotor sea removido para permitir la observacin del devanado durante la realizacin de la prueba.

La sensibilidad de las mediciones de corriente frente a cualquier debilidad en el devanado se ver aumentada eliminando y desconectando equipos externos a la prueba.

Hay diferentes mtodos para realizar una prueba de sobretensin CD, algunos reducen el riesgo de falla durante la prueba, y otros dan informacin del estado de la aislacin del devanado. Sin embargo, para todos los mtodos la decisin crtica que se debe tomar es el nivel mximo de voltaje que debe ser aplicado. El estndar IEEE 95 [5.4], para devanados de estator formados, recomienda que el mximo nivel de voltaje aplicado sea el 75% del nivel utilizado en los ensayos de sobretensin de aceptacin de equipos, en donde NEMA MG1 y IEC 60034 estipulan que este nivel de tensin CD corresponde a 1.7 veces el nivel utilizado en los ensayos aceptacin CA, que corresponde a 2E+1 kV, en donde E es el voltaje fase a fase rms del devanado de estator de la mquina. Algunos usuarios han adoptado que el nivel de voltaje es de 2E.

Figura 5.5: Conexin para prueba Hi-Pot CD, corriente total (nA1) y corriente de fuga a las

otras dos fases (nA2), [5.10].


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En general, para realizar la prueba es conveniente aislar las fases entre si y aplicar la

prueba a cada fase por separado mientras las otras dos estn aterrizadas (figura 5.5), configuracin que permite una mayor sensibilidad y poner a prueba no slo la aislacin a masa, sino tambin, la aislacin entre fases, permitiendo comparar resultados entre las diferentes fases, adems, se hace ms probable detectar fallas en las cabezas de bobina. Si no se tiene acceso al neutro y no se pueden separar ni aislar las fases, se energizan las tres al mismo tiempo poniendo a prueba las tres fases simultneamente.

Siempre es prudente antes de realizar una prueba de sobretensin realizar las pruebas de RA e IP para detectar si el devanado esta hmedo o contaminado, si lo est, el devanado debe ser secado y/o limpiado segn corresponda antes de realizar la prueba para evitar que ocurra una falla innecesaria. Destacando que si estas mediciones se realizan fuera de la rutina de la prueba de Hi-Pot CD, se debe aterrizar el devanado hasta quedar totalmente descargado antes de comenzar la prueba de sobrevoltaje.

La fase bajo prueba debe ser energizada en ambos extremos, lnea y neutro, cuando sea posible (Figura 5.5), al conectar ambos extremos de una bobina minimiza los posibles daos en caso de que ocurra una descarga durante la prueba, y cuando una conexin entre lnea y neutro sea muy difcil, la prueba se puede realizar conectando la fuente a un slo extremo de la bobina. Las otras fases deben ser aterrizadas en sus dos extremos.

Las puntas de prueba a alto voltaje deben estar espaciadas un mnimo de 100 mm ms 25 mm por cada 10kV del voltaje mximo de prueba de las superficies aterrizadas.

Se recomienda que en un rea de 3 m alrededor de la mquina bajo prueba todas las partes o piezas de equipos que no puedan ser removidos sean aterrizadas mientras se realiza la prueba.

Los tres mtodos ms frecuentemente utilizados para realizar esta prueba son los siguientes:

Prueba Hi-Pot CD convencional. Se conecta una fuente CD adecuada al devanado de la mquina desde los terminales de la misma o desde el switchgear, el voltaje es rpidamente elevado hasta el voltaje mximo definido previamente y mantenido 1 o 5 minutos, despus de lo cual el voltaje es rpidamente disminuido a cero y el devanado aterrizado, si la aislacin est sana no habr un impulso de alta corriente, y el interruptor de la fuente no se accionar, si el interruptor se acciona es probable que se produjese una perforacin (falla) en la aislacin y ser necesario su reemplazo o reparacin.

Prueba Hi-Pot CD de voltaje controlado. El procedimiento es el mismo que el anterior solo que el incremento del voltaje aplicado es controlado, el aumento de voltaje se realiza gradualmente de manera discreta en incrementos que no excedan el 3% del nivel final de tensin del ensayo en intervalos de un minuto, las mediciones se deben realizar al final de cada intervalo e inmediatamente se deben graficar corriente v/s voltaje, si se utiliza un grfico de escalas log-log la curva debera ser prcticamente lineal, si la corriente aumenta abruptamente de un escaln a otro es una indicacin de que se producir una ruptura y la prueba debe ser abortada posteriormente a confirmar el aumento de corriente con una medicin ms en el siguiente escaln de voltaje, por lo que si se aplica este mtodo cuidadosamente se puede evitar una falla, pero si el voltaje al cual se presenta la advertencia de falla es menor al de operacin hay un alto riesgo al volver la mquina al servicio si el devanado no fue reparado. Una variacin de este mtodo es propuesta en el IEEE Std. 95, la cual consiste en aplicar cada escaln de voltaje durante diferente perodo de tiempo, con el fin de hacer lineal la componente de corriente medida, y reducir el


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tiempo de realizacin del ensayo, mayor detalle de este mtodo puede ser encontrado en el Anexo 4.

Prueba Hi-Pot CD de rampa de voltaje. En este caso el voltaje se incrementa suavemente y linealmente a taza constante, usualmente 1 o 2 kV por minuto, la ventaja de este es que es el ms sensible para detectar que est ocurriendo una inestabilidad en la corriente, dado que la corriente capacitiva no esta cambiando con el tiempo ( dtdVCI /= con rtV = , donde r es constante y t es tiempo), por lo que este lo hace el mtodo que mejor permite al usuario el prevenir una falla. Una caracterstica Corriente v/s Voltaje para una prueba Hi-Pot CD puede ser apreciada e la figura 5.6.

Figura 5.6: Respuesta caracterstica para una aislacin de devanado de estator normal al

aplicar un Hi-Pot de rampa, [5.17].

Una vez realizada la ltima medicin es importante aterrizar las bobinas ensayadas para que se descarguen completamente, la primera descarga debe realizarse mediante una resistencia de descarga, que generalmente viene incluida en el equipo para realizar el ensayo, una vez que el voltaje caiga a cero, se debe aterrizar directamente a tierra por un tiempo recomendado de 4 veces la duracin del ensayo y en ningn caso por un tiempo menor a una hora.

Adems de medir la corriente tambin es importante tener un registro de la temperatura de las bobinas y de la humedad ambiental as como de todos los factores que puedan afectar las mediciones, para eventualmente poder compararlas con las mediciones tomadas en ensayos pasados y/o futuros.

5.2.2.3 Interpretacin de Resultados.

El Hi-Pot CD no es un ensayo que entregue un indicador del estado de la aislacin, es un ensayo del tipo pasa o no pasa, en donde el devanado esta en buenas condiciones si pasa la prueba, o esta severamente daado si no pasa la prueba. Sin embargo, an cuando la aislacin pase la prueba, dependiendo de la caracterstica I-V, en algunos casos se puede determinar cual es la condicin de la aislacin.

Cuando la aislacin que es sometida a prueba ha sido afectada por la humedad, contaminacin superficial, grietas o resinas no saturadas u otros problemas de aislacin, la curva de corriente v/s voltaje exhibir caractersticas no lineales relacionadas a defectos especficos y a su correspondiente influencia en la resistencia de aislacin, capacitancia, y/o


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propiedades de polarizacin, [5.17], ejemplos de las curvas caractersticas de corriente-voltaje para cada mecanismo de deterioro pueden ser apreciadas en el Anexo 5. En la figura 5.7 se puede apreciar una curva I-V mostrando una advertencia de falla, y en la figura 5.8 se puede apreciar una curva I-V que muestra una disminucin en la pendiente, lo cual indica que se aproxima una falla inminente en la aislacin.

Figura 5.7: Curva I-V mostrando advertencia de falla.

Figura 5.8: Curva I-V mostrando que la disminucin de la corriente medida indica una falla de

aislacin inminente. Cabe mencionar, que normalmente, dependiendo de la mquina y de su sistema de

aislacin un valor referencia de corriente medida est entre los 10 y 30 A, destacando que, por ejemplo, para un sistema de aislacin 30 A puede ser un nivel de corriente bajo mientras que para otro, puede ser un nivel de corriente alto.

Al ensayar una fase a la vez, se pueden comparar las curvas caractersticas corriente v/s voltaje entre fases, de modo que curvas similares para las tres fases de una mquina es una excelente indicacin del buen estado de la aislacin, como se muestra en la figura 5.9, una


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diferencia en la pendiente de la curva I-V de la fase C indica posibles debilidades en la misma.

Figura 5.9: Grfico de prueba de sobrevoltaje controlado aplicado en cada fase por

separado.

Para un devanado en buenas condiciones la respuesta de corriente medida versus el voltaje aplicado es usualmente una suave curva con pendiente positiva en aumento, y cualquier desviacin debe ser considerada como una advertencia de posible aproximacin al voltaje de falla, por lo que el inusual comportamiento de la corriente debe ser confirmado con una medicin posterior, y cuando la desviacin es confirmada se debe detener la prueba para evitar una posible falla. La indicacin ms usual de que se aproxima una falla es la taza acelerada de aumento de corriente con respecto al voltaje. Una cada abrupta en la corriente medida es raramente encontrada, pero cuando ocurre sobre el voltaje peak de operacin del devanado, puede indicar que se aproxima una falla en la aislacin.

Si la corriente a cualquier voltaje especfico comienza a aumentar a travs de los aos, es una indicacin de que la resistencia de aislacin esta disminuyendo y que la aislacin gradualmente se esta humedeciendo o contaminando, recordando que para comparar valores medidos en diferentes ocasiones se deben tener precauciones ya que el valor de la corriente y la resistencia es sensible a la temperatura y a la humedad atmosfrica.

5.2.3 Prueba Hi-Pot CA.

Esta prueba es similar a la de Hi-Pot CD slo que se realiza con voltaje CA a frecuencia

de 50 60 Hz, a veces tambin se utiliza una frecuencia de 0.1 Hz, sta prueba es comnmente aplicada a devanados de estator formado, y raramente utilizada en Amrica pero no as en Asia y Europa.


La mayora de la informacin dada para el Hi-Pot CD es vlida para el Hi-Pot CA, es una prueba del tipo pasa o no pasa. Asegura que los mayores defectos en la aislacin que probablemente causen una falla durante el servicio en un futuro cercano pueden ser detectados con sta prueba. La mayor diferencia con la prueba Hi-Pot CD es el voltaje aplicado y su distribucin a travs de la aislacin, pues en CD la cada de voltaje a travs de


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la aislacin depende de la resistividad de sus componentes, en cambio con voltaje CA la cada de voltaje a travs de la aislacin depender de la capacitancia de cada componente, por lo que tiende a ser una distribucin de estrs en la aislacin totalmente diferente. En los nuevos sistemas de aislacin, compuestos principalmente de epoxy-mica, los defectos presentes en la aislacin puede que no sean detectados en un ensayo CD, pero si sern detectados en un ensayo CA dadas las condiciones de la distribucin de voltaje ms uniformes. Adems, al aplicar un voltaje CA se obtiene la misma distribucin que se da durante la operacin normal de la mquina, por lo que es ms probable encontrar defectos que puedan resultar en una falla en servicio, razn por la cual la prueba Hi-Pot CA se considera superior a la CD.

A diferencia del ensayo CD, el CA s deteriorar la aislacin, ya que en la mayora de los casos el voltaje es suficientemente alto para que aparezca una actividad de DPs significativa, lo que tender a degradar los componentes orgnicos de la aislacin reduciendo as su vida til, sin embargo, se puede estimar que 1 minuto de la prueba de sobrevoltaje CA a un voltaje de 1.5E equivale a 10 das de operacin de la mquina a voltaje nominal, por lo que su vida til no se ver significativamente reducida si la vida esperada de la mquina es de 30 aos.


El voltaje que se recomienda por NEMA MG1 y IEC 60034 para los ensayos de sobrevoltaje son de 2E+1 kV, donde E es voltaje nominal de fase a fase del estator, el IEEE Std. 56 recomienda que para el ensayo de sobretensin CA el voltaje de la prueba sea de 1.25 a 1.5E [5.2]. Y al igual que para el caso CD es preferible realizar la prueba en cada fase por separado.

El elemento clave para realizar ste ensayo es el trasformador CA requerido para energizar el devanado. Para un devanado de estator de un generador de 13.8 kV con una capacitancia de 1 F requiere una corriente de carga de 8 A a 60 Hz para un voltaje de 1.5E, el transformador mnimo que se puede usar es de 150 kVA, lo cual es bastante grande y difcil de transportar, razn por la cual la prueba de sobrevoltaje CA es mucho ms costosa que la CD y utilizada con menor frecuencia como prueba de mantencin.

Una alternativa para el transformador es una fuente VLF (Very Low Frecuency), es una fuente de muy baja frecuencia, con la cual la corriente capacitiva de carga se reduce a 1/500 1/600 de la corriente necesaria para frecuencias de 50 y 60 Hz, lo que es considerablemente ms pequea y ms fcil de trasportar. Las fuentes VLF son relativamente eficientes con respecto a su costo.

Estudios muestran que la distribucin de voltaje a bajas frecuencias es la misma que para mayores frecuencias (50 o 60 Hz) [5.2], a pesar de las ventajas que proporciona la fuente VLF no se utiliza comnmente para mantencin.


El Hi-Pot CA, al igual que el CD, no es un ensayo que entregue un indicador del estado de la aislacin, es un ensayo del tipo pasa o no pasa, en donde el devanado est en buenas condiciones si pasa la prueba, o severamente daado si no pasa la prueba.

Generalmente el Hi-Pot CA es usualmente ms revelador de la condicin de la aislacin que el CD, ya que la distribucin del estrs elctrico es la misma producida en la operacin normal de la mquina, pero son frecuentemente menos utilizados debido al gran tamao de los equipos requeridos para energizar el devanado.


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Finalmente, se puede mencionar que en mquinas mayores a 2400 V puede ocurrir severa actividad de DPs durante la realizacin de la prueba, y puede ocurrir deterioro de la aislacin, pero no necesariamente inducir a una falla durante la prueba

5.2.4 Prueba Hi-Pot CA a baja frecuencia

Las pruebas de alto voltaje a muy baja frecuencia, tambin llamadas pruebas VLF,

poseen ventajas de aplicacin dado que se requieren equipos de menor tamao y peso, lo que los hace ms fciles de transportar comparado con los equipos requeridos para realizar pruebas a frecuencia nominal de la mquina.

El IEEE Std. 433-1974: Prctica recomendada para ensayar aislacin de grandes mquinas rotatorias CA con alto voltaje a muy baja frecuancia., [5.6], otorga una gua para realizar pruebas a la aislacin de grandes mquinas CA de 10000 kVA a 6000V o superior (las pruebas VLF tambin pueden ser aplicadas a mquinas menores a las mencionadas y a otros equipos elctricos), documento que, adems, cubre pruebas de aceptacin y de mantenimiento de rutina a mquinas que ya estn en servicio, por lo que ser citado en esta seccin.

Para facilitar la comunicacin y comprensin, se postula, de acuerdo al IEEE Std. 433, que la muy baja frecuencia (VLF) utilizada para realizar las pruebas corresponde a 0.1 Hz 25%, y que la capacitancia a la cual se hace referencia se distinguir de la capacitancia a frecuencia de potencia, ya que para ste caso corresponde a la medida a VLF, y que en magnitud tender a ser mayor que la capacitancia medida a frecuencia nominal de la mquina [5.6].

5.2.4.1 Preparaciones para la prueba, [5.6].

i) Mquinas enfriadas con Aire.

Una prueba VLF para mantencin o aceptacin de equipos no debe ser realizada a temperaturas del devanado que superen los 40C, a menos que algo diferente sea acordado entre el fabricante y el usuario. El procedimiento usual previo a realizar las pruebas VLF es mantener el devanado seco, debe ser inspeccionado y limpiado antes de la prueba, ya que la contaminacin de ste puede aumentar el estrs de voltaje en las cabezas de bobina especialmente si hay humedad presente. En vista de la posibilidad de una chispa durante la prueba, la suciedad que ha sido empapada con aceite presenta peligro de incendio. La presencia en el devanado de barnices o de otras superficies cobertoras no curadas pueden causar una gran corriente de fuga superficial, por lo que se debe permitir que sean secadas o curadas antes de que se realice la prueba.

La mquina puede ser probada con o sin el rotor. Si el rotor debe ser removido por otros motivos, es preferible realizar la prueba en el estator despus de que el rotor haya sido removido, ya que el devanado puede ser observado e inspeccionado con mayor facilidad, adems de que facilita el uso de extinguidores en caso de que sea necesario. ii) Mquinas enfriadas con Hidrgeno.

Las mquinas enfriadas con Hidrgeno pueden ser probadas en Hidrgeno, Dixido de Carbono o Aire. Cuando se utiliza Hidrgeno o Dixido de Carbono, se debe aplicar una presin adecuada para mantener la efectividad de las distancias de acuamiento.

Cuando se prueban en aire se recomienda que la mquina est lo suficientemente accesible para permitir que una llama sea extinguida en caso de que ocurra. Las pruebas no se deben llevar a acabo en una mquina cerrada a altas presiones de aire debido al gran


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incremento de peligro de dao por llama, resultado de la mayor disponibilidad de oxigeno a elevadas presiones. iii) Devanados de estator enfriados con lquido.

Se deben tomar en cuenta las precauciones mencionadas en la seccin anterior para realizar las pruebas.

En devanados de estator enfriados con agua, es necesario tener agua de baja conductividad fluyendo en el devanado durante la prueba o tener las mangueras/mangas secas internamente antes de realizar la prueba.

En devanados enfriados con aceite no es necesario tener el aceite circulando durante la prueba, sin embargo, las mangueras/mangas deben estar llenas de aceite o completamente vacas para prevenir la posibilidad de que se produzca arco en su interior.

No debe haber vaco en los sistemas de lquidos durante una prueba de alto voltaje ya que de otra manera habra riesgo de descargas dentro de la manguera/manga. iv) Aislacin del devanado de equipos auxiliares y cables.

Es preferible excluir de la prueba cualquier tem que pueda ser fcilmente desconectado en el tiempo disponible. Protecciones de sobrevoltaje (surge arresters) y capacitores deben ser desconectados. v) Divisin del devanado.

Cuando sea posible cada fase debe ser aislada y probada separadamente de las otras, que deben estar aterrizadas. Los dos extremos de cada fase deben ser conectados juntos ya sea que la fase vaya a ser probada o aterrizada. Al probar una fase a la vez da una comparacin entre fases que es til al evaluar la condicin del devanado, y til para futras comparaciones.

Se sugiere probar todas las fases al mismo tiempo slo en mquinas que posean la conexin del neutro inaccesible, en ste caso las tres puntas de las bobinas deben ser conectadas juntas para evitar sobrevoltajes en terminales abiertos en caso de fallas o arco.

Cuando se prueban todas las fases a la vez, slo se pone a prueba la aislacin a masa, a diferencia de que cuando se prueba cada fase por separado con las otras dos aterrizadas se pone a prueba, adems de la aislacin a masa, la aislacin entre fases. 5.2.4.2 Consideraciones de seguridad.

Se deben tomar precauciones para prevenir que alguien se aproxime o haga contacto con cualquier parte del circuito o equipo mientras se est realizando la prueba.

Al igual que con otras pruebas de alto voltaje, el devanado inmediatamente despus de concluir la prueba de VLF debe ser aterrizado para evitar que quede almacenado en l energa. El tiempo mnimo de aterrizado es de 15 minutos, si es removido de tierra muy pronto pude quedar un voltaje peligroso para el personal que pueda entrar en contacto con el devanado, adems que el mismo devanado puede ser daado si en esas condiciones es puesto en servicio o se le aplicasen otras pruebas.

Debe haber disponible un equipo de aterrizado para utilizar cuando la prueba sea concluida, o utilizado en caso de emergencia.

Se debe utilizar puntas de tierra con pinzas o conectores de gran tamao para impedir una desconexin accidental.

El cable a tierra debe ser desnudo, muy flexible, y tener gran capacidad de conduccin de corriente adems de resistencia mecnica. Se recomienda un conductor de 6 AWG o mayor.


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Idealmente al realizar la prueba se debe tener una lista de precauciones que deben ser tomadas antes y despus de la misma, de manera de facilitar la labor de prevenir accidentes.

5.2.4.3 Consideraciones generales para la prueba.

Siempre se debe tener en cuenta que al ser una prueba de alto voltaje puede ocurrir una falla inesperada en el devanado por lo que es importante que al realizar la prueba VLF se tengan los medios necesarios para reparar cualquier posible dao causado.

Es aconsejable realizar las pruebas de RA e IP antes de la VLF, a modo de asegurar la limpieza del devanado.

Los estatores enfriados con agua, tienen un camino de conduccin elctrica adicional en las columnas de agua a travs de las mangueras, lo que afectar de gran manera la lectura de resistencia de aislacin, para obtener una lectura de resistencia significativa el agua debe ser removida del devanado y sus conductos secados.

La seleccin del voltaje aplicado al igual que para otras pruebas, es muy importante. El IEEE Std. 433 [5.6] recomienda que la razn entre el valor cresta del voltaje VLF y el voltaje de potencia rms (Vcresta(0.1Hz) / Vrms (50Hz)) debe ser acordado entre el proveedor y el usuario, generalmente el valor recomendado es 1.63 1.152.

5.2.4.4 Equipamiento para la prueba.

El equipamiento para la prueba VLF debe ser evaluado en trminos del voltaje cresta de VLF que es capaz de generar, de la mxima carga capacitiva en microfaradios, y de la mnima resistencia de carga en megaohms al cual puede desarrollar el voltaje (asumiendo una inductancia serie a 0.1 Hz, despreciable).

El equipo deber ser capaz de producir un voltaje alterno de frecuencia 0.1 Hz 25 %. Adems de incluir instrumentos de medicin, que puedan registrar valores instantneos de la salida de voltaje, en los cuales el mximo error sea menos de 3% de escala completa.

Debe haber alguna manera de prevenir que los contactos de la prueba sean cerrados a menos que el voltaje de salida cruce por cero, y se deben tomar precauciones para que ocurra una desconexin inmediata si la corriente de salida excede un valor determinado, para lo cual generalmente se utiliza el rel de sobrecorriente ajustado para que apague el voltaje de prueba cuando ocurra una falla.

Cunado el equipo VLF haya sido instalado, verificando su correcta operacin, y todas las conexiones revisadas, puede ser conectado al devanado.

5.2.4.5 Conexiones.

Las conexiones a tierra deben cumplir con las especificaciones dadas en la seccin 5.2.4.2. La carcaza de la mquina bajo prueba debe ser solidamente aterrizada al igual que el equipo VLF. Las fases del devanado que no estn a prueba tambin deben ser aterrizadas, junto con el equipo auxiliar de la mquina como: detectores de temperatura de armadura, termocplas, secundarios de transformadores de corriente, el cuerpo y devanado del rotor, y cualquier otro artefacto asociado al devanado.

Las puntas de alto voltaje deben estar espaciadas de las superficies aterrizadas un mnimo de 10,16 cm (4 pulgadas) ms 2,54 cm (1 pulgada) por cada 10 kV (peak).

Las conexiones deben estar soportadas adecuadamente en el aire sin reposar en aislacin slida cuando sea posible, cuando se est sobre aislacin slida, sta debe estar seca y debe ser una superficie amplia.

5.2.4.6 Procedimiento de Prueba.


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El voltaje debe ser aplicado al devanado partiendo con un valor suficientemente bajo, menor a un 5% del voltaje de la prueba, para prevenir sobrevoltajes debidos a transientes de maniobras de conexin.

El voltaje debe ser aumentado hasta el valor especificado gradualmente con una tasa uniforme en no ms de 1 minuto. Debe ser mantenido al voltaje de prueba seleccionado por un tiempo suficiente, y luego prontamente reducido a cero y la bobina aterrizada. Para evitar transientes que puedan afectar los resultados, la bobina no debe ser desenergizada bruscamente.

El nmero de repeticiones de la prueba debe ser limitado para evitar posibles daos al balance de la bobina producto de los sobrevoltajes que pueden ocurrir cuando la bobina se descarga.

En caso de falla el voltaje debe ser reducido inmediatamente para prevenir aumentos de voltaje y repetir la falla, se debe inspeccionar cuidadosamente la bobina para localizarla antes de realizar ms pruebas. Cuando la espira daada ha sido localizada, debe ser aislada elctricamente para que el resto de la bobina pueda ser probada al valor cresta del VLF. La espira aislada debe ser aterrizada y la bobina elctricamente continua en donde estaba la espira en el circuito.

5.2.4.7 Interpretacin de resultados

La prueba VLF es considerada del tipo pasa-no pasa, es decir si para el final de la prueba no se han observado fallas, el devanado es considerado satisfactorio.

Para tener datos histricos de la mquina y comparar resultados, se recomienda tener registro de la siguiente informacin; numero de serie de la mquina, valores nominales, tipo de aislacin, fecha y hora de la prueba, voltaje aplicado y duracin, conexiones, temperatura de bobina, temperatura y humedad ambiental y descripcin del equipo de prueba. Tambin se recomienda tener registros de las inspecciones visuales, motivos por el cual se realiza la prueba, condicin fsica del devanado y toda la informacin que se pueda considerar relevante para realizar un correcto mantenimiento de la mquina. 5.2.5 Prueba de Capacitancia.

La medicin de la capacitancia del devanado algunas veces puede indicar problemas

como deterioro trmico o saturacin de la aislacin con humedad. Esta prueba es ms til en estatores aleatorios, o estatores formados de motores pequeos, o en generadores muy grandes enfriados directamente con agua, que puedan tener fugas de la misma. Las mediciones de capacitancia tambin se realizan durante la fabricacin para determinar cuando la resina ha impregnado una espira o barra, o en proceso VPI global del estator, o para determinar cuando la resina ha sido curada.


Algunos procesos de deterioro involucran cambios en los devanados, que fundamentalmente alteran la naturaleza de la aislacin. Por ejemplo, si un estator formado se deteriora debido a un sobrecalentamiento prolongado, las capas de la aislacin a masa se laminan. Algunos tipos de epoxy, polister o asfalto se vaporizan, o en el caso del asfalto, fluye hacia fuera de la aislacin, el resultado es que la aislacin a masa ahora contiene algun gas, usualmente aire, la constante dielctrica del aire es de uno, mientras que el de epoxy-mica es cercana a 4. El porcentaje de gas contenido en la aislacin aumenta conforme aumenta el deterioro de la misma, en consecuencia la constante dielctrica promedio tambin decrece.


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Similarmente, si el cuerpo de la aislacin ha sido saturado con agua, la capacitancia aumentar en el tiempo, debido a que el agua tiene una constante dielctrica de 80, la presencia de agua aumenta la constante dielctrica de la aislacin aumentando tambin su capacitancia.

Si la cabeza de bobina del estator es contaminada con un contaminante parcialmente conductor, el potencial de tierra del ncleo del estator en parte se extiende sobre las cabezas de bobina. Esto efectivamente incrementa el rea de la superficie A de las placas del capacitor en la ecuacin 3.7. As, la contaminacin del devanado aumenta tambin la capacitancia.

Haciendo tendencias de los cambios en la capacitancia del devanado en el tiempo, se puede inferir si est ocurriendo deterioro trmico o contaminacin. Si la capacitancia permanece constante con el tiempo indica que el deterioro o contaminacin es muy leve y lento. Si la capacitancia disminuye, el devanado experimenta deterioro trmico, si la capacidad aumenta, es probable que la aislacin haya absorbido humedad del ambiente o haya ocurrido una fuga de agua.


La prueba de capacitancia discutida en sta seccin es generalmente realizada a bajo voltaje con puentes capacitivos disponibles en el mercado. Dado que la cantidad de gas o de humedad contenida en la aislacin es un pequeo porcentaje de sta, el cambio de capacitancia a travs de los aos es pequeo, incluso para un deterioro significativo. Por lo cual el equipo de medicin debe tener una precisin mejor que un 0.1%.

Desafortunadamente, medidores de capacidad no costosos, no son apropiados para esta aplicacin, ya que en general estos equipos tienen una precisin real de un 1% lo que los hace inadecuados para detectar pequeos cambios en la capacitancia producto de un dao trmico. An ms importante es que la mayora de estos medidores trabajan bajo el principio de aplicar un pulso de voltaje a travs de una resistencia conocida a la carga de capacidad, y miden el tiempo de cada de la corriente de carga capacitiva, luego la capacitancia es deducida de la constante de tiempo de la corriente de carga. En secciones anteriores se discuti que la aislacin del devanado no slo posee la constante de tiempo de carga capacitiva si no que, adems, posee la corriente de absorcin que tambin tiene una constante de tiempo aparente. La corriente de absorcin confunde al medidor de capacidad produciendo lecturas de capacidad mucho mayores a las reales.

La capacidad de un devanado completo o de todas las fases puede ser medida en una sola medicin global. Esta versin de la prueba determina la condicin de la aislacin completa. Adems, para el problema especfico de las fugas de agua se puede medir la capacitancia local, o de una porcin de la barra del estator, y con mediciones en todas las barras se puede crear un mapa de capacitancia.

Capacitancia de devanado. La mejor manera de realizar la prueba es desde los terminales del devanado de estator

de la mquina, ya que si es realizada desde el switchgear, la capacitancia del cable entre el switchgear y el estator puede dominar la capacidad del estator, lo que provocara un cambio en la capacidad del estator difcil de discriminar, y mientras ms largo sea el cable menos sensible ser la prueba. Para motores pequeos si el largo del cable es mayor a 100 m es probable que los resultados no sean significativos. Similarmente cualquier condensador conectado a la mquina debe ser desconectado antes de realizar la prueba.

Para un generador la capacidad de cada fase puede ser medida sin dificultad dado que cada fase puede ser aislada de las otras desconectando las conexiones de neutro, no as


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para un motor donde sus fases estn conectadas en el neutro, ya que slo se podran desconectar con gran dificultad, por lo que se debe medir la capacidad de las tres fases juntas.

Es importante utilizar un puente de capacidad calibrado para realizar las mediciones ya que con los resultados se hacen tendencias de muchos aos y pequeos cambios de capacidad son importantes y cualquier desviacin producida en el equipo se puede confundir fcilmente con un problema en el devanado. Se considera prudente utilizar el mismo instrumento de medicin a travs de los aos para realizar las pruebas.

Mapa de capacitancia. Cuando se volvi evidente que una fuga de agua en los estatores enfriados directamente

con agua era una causa importante de falla se desarroll una tcnica de mapeo de capacidad [5.9]. En este mtodo el devanado de estator es aterrizado y un pequeo plato de metal es ubicado sobre una porcin accesible de la cabeza de bobina, usualmente cerca de las conexiones ya que es donde primero se acumula el agua, luego la capacitancia es medida entre el plato y el conductor (aterrizado) dentro de la barra de estator, utilizando un puente capacitivo. Luego el plato es movido a otra barra en donde se realiza el mismo procedimiento, repitindolo hasta medir en todas las barras, en ambos extremos de las cabezas de bobina. El resultado es un mapa de capacidad versus el numero de la ranura y una posicin axial. Esta prueba es ms til si simultneamente se mide el factor de disipacin al mismo tiempo que la capacidad. Finalmente, se realiza un anlisis estadstico de la informacin obtenida, especficamente se calcula la desviacin media y estndar de todas las capacitancias de todas las barras en una ubicacin axial.


Para mediciones de capacitancia en fases completas o devanados completos la clave para una correcta interpretacin es la tendencia formada por diferentes mediciones. Una cantidad significativa de deterioro trmico resultar en slo un 1% en la cada de la capacitancia a travs de los aos. Si la bobina ha sido empapada en agua una cantidad significativa de deterioro resultara en un aumento de un 5% en la capacidad, si el deterioro trmico o las fugas de agua ocurren slo en algunas pequeas posiciones, es probable que la prueba no sea lo suficientemente sensible, y si el devanado completo esta afectado el test de capacitancia ser adecuado para detectarlo.

Las tendencias son menos importantes cuando existe un mapa de capacidad para encontrar barras con fugas de agua, ya que se comparan las mediciones de capacidad entre todas las capacidades de las diferentes barras medidas. Las barras que posean capacitancia (y factor de disipacin) mayor que la desviacin media ms 3 o que la desviacin estndar ms 4, es muy probable que tengan una fuga de agua.

Los fabricantes de bobinas usualmente utilizan la prueba de capacitancia para monitorear el proceso de impregnacin y de curado en las barras, bobinas o proceso VPI para la fabricacin de estatores. Las resinas de impregnacin de polister y epoxy tienen una alta constante dielctrica cuando estn en estado lquido, en el proceso de curado la constante dielctrica disminuye asintticamente hasta llegar a su menor valor (cercano a 4) cuando esta curada (slida). Cuando una espira es recin impregnada con la resina lquida su capacidad aumenta a medida que la resina reemplaza el aire entre las capas de cintas de papel mica, y alcanza su valor mximo cuando se ha logrado la completa impregnacin, durante el proceso de curado la capacitancia comienza a decrecer.


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De la experiencia, los fabricantes pueden asegurar una mejor impregnacin y pueden definir el tiempo ptimo de curado monitoreando el incremento inicial de al capacidad y posteriormente su decremento.

5.2.6 Prueba Tip-Up de Capacitancia.

La prueba Tip-Up de capacitancia es una variacin de la prueba de medicin de

capacitancia en devanados completos descrito en la seccin anterior, corresponde a un mtodo indirecto de medicin de descargas parciales y est cercanamente relacionado con el mtodo de factor de potencia Tip-Up. Esta prueba es relevante slo para devanados de estator formado de 2300 V o mayor.

5.2.6.1 Propsito y Teora del Mtodo.

El deterioro trmico, los ciclos de carga y un mtodo pobre de impregnacin pueden resultar en huecos en la aislacin a masa en devanados de estator formados. Si la bobina es energizada a un voltaje suficientemente alto ocurrir una descarga parcial en estos huecos ionizando el gas que contienen por varios milisegundos, reduciendo el grosor efectivo de la aislacin, lo cual aumenta la capacitancia. Un hueco cortocircuitado por una DP no tiene mayor significado en el valor de la capacidad de la bobina, sin embargo si hay miles de vacos y en todos ellos estn ocurriendo DP habr un notable aumento de ella.

Las DP slo ocurren si hay vacos y el estrs elctrico dentro del vaco excede los 3 kV/mm (a 100 kPa), as las DPs slo ocurren a alto voltaje. La medicin de la capacitancia a alto voltaje no es suficiente para detectar los huecos, en cambio si a la medida a alto voltaje se le resta la medida a bajo voltaje, el resultado ser el incremento de la capacidad debido a la actividad de DPs [5.13]. La capacidad a bajo voltaje es la capacidad de la aislacin ms la de los huecos, en cambio la capacidad medida a alto voltaje corresponde slo a la capacidad de la aislacin slida, ya que los huecos han sido cortocircuitados por las DPs, con la diferencia se puede estimar la capacidad de los huecos, y mientras mayor sea la capacidad de los huecos mayor es el deterioro dentro de la aislacin y mayor es la probabilidad de que falle el devanado. Resumidamente, la prueba Tip-Up de capacitancia mide el contenido de huecos dentro de la aislacin.

5.2.6.2 Mtodo del Ensayo.

No existen procedimientos estandarizados para realizar esta prueba, se requiere de una fuente de suministro CA que pueda energizar la capacitancia del devanado al voltaje nominal, el cual puede ser un transformador convencional, una fuente resonante o incluso un VLF, para un gran estator se necesitar un apotencia de 20 a 30 kVA, tambin se requerir un instrumento que sea capaz de medir capacidad al menos al voltaje de lnea de operacin del devanado de estator, adems, se requiere que el equipo tenga una precisin de al menos un 0.1%.

La mejor manera de realizar la prueba es con las fases aisladas unas de otras y con todos los otros equipos desconectados para aumentar la sensibilidad. Se debe medir una fase a la vez con las otras dos aterrizadas. Primero se mide la capacidad a bajo voltaje (Clv) usualmente a 0.2E, donde E corresponde al voltaje nominal de fase a fase del estator, luego se aumenta el voltaje a uno cercano al nominal de fase (cercano a 0.58E) y se mide la capacitancia de alto voltaje (Chv), finalmente el factor Tip-Up de Capacitancia es calculado como se muestra en la ecuacin (5.5).

(%)lv

lvhv

CCC

C= (5.5)


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Mientras ms alto sea C hay mayor cantidad de vacos dentro de la aislacin. Una aislacin moderna de Epoxy-Mica debera tener un C menor a un 1%, y una aislacin ms antigua de mica asfltica debera tener un C menor que un 3 o 4%. Si C es mayor que estos valores es una indicacin de que hay deterioro, que puede ser trmica, por ciclos de trabajo, o que el devanado fue sometido a un mal proceso de impregnacin. En general se considera que un C menor a un 2% es lo normal y el sistema de aislacin tiene poco contenido de vacos dentro de la aislacin

Existen algunas limitaciones del mtodo que afectan la interpretacin de los resultados, primero que el C es una medida del total del contenido de vacos y no hay indicacin de si son miles de huecos pequeos o unos cuantos ms grandes, en donde es ms probable que la bobina falle si contiene unos cuantos huecos grandes que muchos pequeos, por lo que la prueba es sensible a la condicin promedio de la bobina y no a la condicin de la peor espira. La segunda limitacin proviene del efecto de las capas de control de estrs de carburo de silicio (SiC) en la medicin de la capacitancia, recordando que el SiC posee una resistencia que vara conforme vara el voltaje aplicado, a bajo voltaje es completamente aislante pero a alto voltaje es conductora, por lo que cuando la capacitancia es medida a alto voltaje la capa de SiC aumenta la superficie de los platos capacitores, aumentando la capacitancia, por lo que es posible que el aumento de la capacitancia a alto voltaje sea causada por ambos fenmenos, las descargas producidas en los huecos y por la cobertura de SiC. El efecto neto es que la cobertura de SiC crea un ruido permanente que tiende a disminuir los efectos de los huecos en la capacitancia.

La mejor manera de superar las dos limitaciones mencionadas es realizar tendencias del comportamiento de C a travs de los aos. La primera prueba Tip-Up en una fase completa tiene poco significado, debido al efecto de la cobertura de SiC, sin embargo si C aumenta montonamente de ao a ao es una indicacin de una laminacin progresiva de la aislacin posiblemente debida al sobrecalentamiento o a los ciclos de carga.

5.2.7 Prueba de Impedancia Capacitiva para estatores de motor.

Esta prueba es una variacin de la prueba de capacitancia descrita en la seccin 5.2.5.

En trminos reales la prueba de impedancia capacitiva es otra manera de medir la capacidad de un devanado, sta se incluye como una seccin separada dado que muchos de los instrumentos para medir la condicin del devanado de una mquina pueden medir este parmetro.

En la seccin anterior se discuti la importancia de medir la tendencia de la capacitancia del devanado de estator de una mquina, en esa seccin la medicin se realizaba con un puente de capacitancia CA. La capacitancia tambin puede ser calculada con una medicin precisa de la corriente y el voltaje en el devanado, permitiendo el clculo de la impedancia capacitiva IVX c /= , especficamente la capacitancia de un devanado es:

fVI

fXC

c 221 == (5.6)

Donde: f : Frecuencia en Hz V : Voltaje medido en el devanado I : Corriente medida en el devanado.


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Recordando, que las mediciones de voltaje y de corriente deben tener una precisin mnima de 0.1% para producir resultados que puedan ser exitosamente interpretados.

5.2.8 Prueba de Factor de Disipacin y de Potencia.

El Factor de Disipacin y el de Potencia entregan una indicacin de las prdidas en la

aislacin. Algunos procesos de deterioro como lo son el trmico o la absorcin de humedad aumentan estas prdidas, por lo que al hacer tendencias de las prdidas dielctricas y analizarlas se puede obtener una indicacin de algunos tipos de problemas presentes en la aislacin. Hay dos maneras principales de medir las prdidas: el factor de disipacin ( tan ), y el Factor de Potencia (FP). Estas pruebas son relevantes slo en devanados de estator y son usualmente aplicados en devanados de estator formado.


Las prdidas dielctricas son una caracterstica de los materiales aislantes y no es un indicador de la calidad del aislante, idealmente la aislacin de un devanado debera actuar puramente como un capacitor, eso es que slo almacene energa, que no la disipe, en la prctica los materiales utilizados para la aislacin se calientan un poco cuando son excitados con voltaje CA lo que hace que disipen energa, la causa de la disipacin es primordialmente el movimiento de molculas polares bajo el estrs elctrico CA.

Dado que las prdidas dielctricas en un devanado de estator es una prdida de potencia (It2Rs), las prdidas pueden ser expresadas en Watts. Sin embargo, lo general es expresar las perdidas en FD (tan ) y FP Tip-Up.

Hay dos componentes de prdidas en un devanado de estator, las prdidas de slido (absorcin dielctrica y Conductividad) y las de ionizacin. La suma de estas componentes son las prdidas totales, las cuales son medidas cuando se realiza la prueba de FP. Estas prdidas pueden ser graficadas en funcin del voltaje aplicado (figura 5.8) ambas prdidas se incrementan con el aumento de voltaje aplicado, [5.14].

Figura 5.10: Grfico de FD ilustrativo de componentes de prdidas de un devanado, [5.14].


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Las prdidas por ionizacin ilustradas en la figura 5.10, son causadas por inclusiones gaseosas, los llamados vacos. En la estructura de la aislacin, estas descargas internas pueden ocurrir en muchos lugares dentro de la aislacin, causan calentamiento local y representan una prdida de potencia equivalente a la potencia disipada en un resistor.

Del diagrama fasorial en la figura 5.11, tan puede ser calculada usando la ecuacin (5.7).

Figura 5.11: Circuito equivalente serie del sistema de aislacin de un devanado de estator

(izquierda) y su diagrama vectorial (derecha), [5.14].

sss

s

cs

s CfRfC

RXR 22/1tan === (5.7)

Donde:

: ngulo de prdidas Rs : Prdida total dielctrica Xcs: Reactancia capacitiva Cs : Capacitancia de devanado Un aumento en las prdidas dielctricas a travs de los aos puede indicar que la

aislacin se est degradando por sobrecalentamiento o radiacin. Tambin, si una bobina ha sido empapada en agua o humedecida, las prdidas dielctricas aumentaran debido a que el agua est conformada por molculas polares.


Hay dos maneras diferentes de medir las prdidas dielctricas, ambas involucran el reconocer que el devanado es esencialmente un capacitor con pocas prdidas.

1. Factor de Disipacin (FD) o tan . Corresponde a la razn entre la resistencia de

prdida y la reactancia capacitiva del dielctrico. Este factor se obtiene de forma directa, al ser medido por medio de puentes capacitivos (puente de Schering) y su valor es expresado en porcentaje. Con este mtodo fcilmente se alcanza una precisin de 0.01%. En la figura 5.12 se puede observar un circuito de un puente de Schering bsico diseado para medir capacitancia y FD de una espira/bobina, luego que el puente es balanceado (cuando Zcx/Z3=Zcn/Z4) son calculadas la capacitancia y el FD.


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Figura 5.12: Circuito de un puente de Schering bsico diseado para medir

capacitancia y FD de una espira/bobina, [5.14] 2. Factor de Potencia (FP). Para materiales con factor de disipacin relativamente

bajo, que es el caso de la mayora de los materiales que conforman la aislacin de los devanados, el FD y el FP son casi iguales. El FP es medido, midiendo con precisin el voltaje V aplicado entre el cobre y el ncleo del devanado y midiendo la corriente resultante I , al mismo tiempo que se mide la potencia W en el devanado, luego el factor de potencia es calculado de acuerdo a la ecuacin (5.8).

VIWFP = (5.8)

Al igual que el FD el factor de potencia es usualmente expresado en porcentaje, la prueba del FP es menos precisa que medir el FD, pero tiende a ser menos costosa ya que no necesitan instrumentos especiales. Ambos mtodos se pueden realizar aplicando bajo voltaje CA al devanado, pero como ha sido discutido anteriormente hay ventajas en medir las prdidas dielctricas a alto voltaje. Si se utiliza bajo voltaje CA es comn utilizar una frecuencia diferente de 50 y 60 Hz para evitar que corrientes inducidas de otros equipos influya en los resultados.

Como se mencion anteriormente el FD es usualmente medido con un puente capacitivo, y el FP puede ser deducido de ste tal como se muestra en la ecuacin (5.9).

)1( 2FDFDFP+

= (5.9) La mayora de las veces no se distingue entre Factor de Potencia o Factor de Disipacin

debido a que sus valores para ngulos pequeos son muy similares, hecho que se puede confirmar en la tabla A6.1 en Anexo 6, es decir, para una espira/barra con un FP o FD de 0.1 (10%) o menor, ambos factores se pueden considerar iguales.

Al igual que para la prueba de capacitancia las prdidas dielctricas son medidas con mayor sensibilidad en los terminales del estator, ya que los cables pueden distorsionar las lecturas. Sin embargo, si hay menos de 100 m de cable aislado con polietileno o conductores desnudos (aislados con aire) conectado a los terminales se pueden realizar medidas con razonable precisin. Esto es porque estos materiales (aire y polietileno) tiene muy pocas prdidas dielctricas (


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neutro, motivo por el cual la prueba no es tan ampliamente utilizada por los usuarios de las mquinas, ya que para aumentar la sensibilidad de la prueba sera necesario separar el devanado en barras o grupos de barras, lo cual consumira demasiado tiempo.

La mayora de los instrumentos utilizados para medir FP en espiras de alto voltaje utilizan la tcnica de puente balanceado basado en el mtodo de puente de Schering para medir la capacidad y resistencia internas de la espira, estos valores son utilizados para calcular el FP de la espira, los cuales se pueden hacer manualmente o automticamente con el instrumento.

Se puede observar una configuracin tpica para la medicin de FP en una espira de estator de alto voltaje en al figura 5.13. La fuente debe ser capaz de suministrar los niveles adecuados de kVA y kV requeridos para probar la espira sobre los rangos completos. Los equipos de medicin incluidas las puntas conectoras a la espira deben estar blindados para prevenir errores de medicin. Generalmente se utiliza una caja de conexin para conectar correctamente la espira al puente y mantener un apropiado blindaje. Se utilizan anillos de guarda para confinar la regin bajo prueba de la espira y prevenir descargas externas.

El FP de la espira bajo prueba se debe medir a ciertos niveles de voltaje definidos, el nmero de pasos de voltaje tomados para cada prueba de FP es determinado por quien realice las especificaciones de la prueba. El FP vara con el voltaje aplicado en cada prueba. Una prctica altamente recomendada, especialmente til para realizar pruebas en espiras nuevas es antes de comenzar con la prueba aplicar un voltaje de 1.2 Vn, donde Vn es el voltaje nominal de la espira, por un mnimo de 20 seg. Con el propsito de que la aislacin se caliente dielctricamente e ionizar los pequeos vacos contenidos en la aislacin, para que al momento de realizar la prueba esta energa consumida no sea confundida con prdidas. Luego de este periodo de calentamiento lo ms razonable es medir el FP en incrementos de 0.2Vn, comenzando en 0.2 Vn y terminando en 1.2Vn.

Figura 5.13: Configuracin tpica para la medicin de FP en una espira de estator de alto

voltaje, [5.14].

Hay dos condiciones que afectan significativamente el mtodo de medicin de FP en devanados completos. En la mayora de los estatores instalados (generadores), la carcaza y el ncleo estn aterrizados de modo que el estator no puede ser aislado de tierra fcilmente. En generadores no instalados que recin han sido fabricados es relativamente fcil aislar el


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estator de tierra. Dependiendo de estas condiciones se deben equipar dos configuraciones diferentes para realizar mediciones.

En un devanado de estator instalado, una correcta medicin de FP requiere que el puente balanceado y la fuente del ensayo puedan operar sin ser aterrizadas, lo cual requiere que los equipos estn diseados para operar en estas condiciones. En la figura 5.14 se puede apreciar la configuracin para realizar la prueba de FP en un devanado aterrizado de estator instalado, en donde el ncleo de estor es conectado a tierra.

Figura 5.14: Configuracin para realizar la prueba de FP en un devanado aterrizado de

estator instalado, en donde el ncleo de estator es conectado a tierra, [5.14].

En un devanado de estator no aterrizado se puede utilizar un circuito de puente estndar con el ncleo de estator aislado (flotando) de tierra. En la figura 5.15 se muestra la configuracin para realizar la prueba de FP en un devanado de estator no instalado.

Figura 5.15: Configuracin para realizar la prueba de FP en un devanado de estator no

instalado, en donde el ncleo de estor esta asilado (flotando), es decir no esta conectado a tierra, [5.14].



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Para un sistema de aislacin perfecto el FD no aumentar conforme aumenta el voltaje aplicado. El FD es una propiedad de los aislantes elctricos, es una medicin de las prdidas de aislacin, generalmente es deseable un valor bajo de FD, pero una alta prdida dielctrica no necesariamente implica que la aislacin sea inferior.

La prueba de FD no es sensible a unas cuantas espiras deterioradas en un devanado, a menos que el devanado sea parcialmente desensamblado para realizar las pruebas. Para pruebas de mantenimiento en bobinas completas la medicin inicial de FD es irrelevante, valores tpicos para aislacin moderna impregnada en epoxy y polister de FD sera de 0.5%, puede ser de 3 o 5% para aislantes asflticos. Si el FD es medido regularmente, y se mantiene constante en el tiempo es una indicacin de que no hay envejecimiento trmico o gran contaminacin en la aislacin, por el contrario, si se produce un aumento en su valor, es un indicador que esta ocurriendo un sobrecalentamiento de la aislacin o que el devanado esta siendo contaminado con polvo o con partculas parcialmente conductoras. Se considera que una cantidad de degradacin significante esta ocurriendo si el valor del FD aumenta un 1 % o ms con respecto a su valor inicial.

Si la capacitancia y el FD son medidos al mismo tiempo y en las tendencias la capacitancia disminuye y el FD aumenta es un indicador poderoso de deterioro trmico, si ambos valores aumentan implica que la aislacin a sido contaminada o ha absorbido humedad.

La tendencia del FD es un indicador de la condicin general de la aislacin ya que mide las prdidas totales en un devanado. Las prdidas adicionales para una sola espira de una bobina en donde el resto de las espiras estn en buenas condiciones ser pequeo, por lo que esta prueba no es capaz de detectar pocas espiras daadas.

5.2.9 Prueba de Factor de Potencia Tip-Up.

El Tip-Up Test es una manera indirecta de determinar si estn ocurriendo o no

descargas parciales en el interior de la aislacin. Este ensayo es mayormente realizado por los fabricantes de las mquinas como control de calidad de las espiras para asegurar la apropiada impregnacin de epoxy y de polister durante su fabricacin. Esta prueba es relevante slo para devanados de estatores formados y la aislacin de la espira bajo prueba es principalmente la aislacin a masa.

El estndar IEEE 286-2000: Practica recomendada para la medicin de Factor de Potencia Tip-Up de la aislacin de una espira de mquina rotatoria, [5.5], otorga recomendaciones para realizar mediciones de Factor de Potencia Tip-Up a la aislacin de una espira de una mquina rotatoria, por lo que algunos de sus contenidos sern citados en esta seccin.


Todos los materiales aislantes tienen prdidas dielctricas, las que pueden ser medidas con el ensayo de Factor de Potencia. Al aplicar un voltaje en aumento a la aislacin de una espira en que existen pequeos huecos dentro de la aislacin a algn voltaje las descargas parciales comenzarn a aparecer. Estas descargas producen calor, luz y sonido, por lo que consumen energa, la cual es provista por la fuente de suministro. Consecuentemente en una espira que ya esta degradada, junto con el aumento de voltaje, comenzarn a aparecer las descargas y el Factor de potencia y de disipacin aumentarn por sobre el nivel normal debido a las prdidas dielctricas, ya que las descargas parciales constituyen una componente de prdidas adicional. Mientras mayor sea el aumento del factor de potencia y


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del de prdidas mayor energa estar siendo consumida producto de las descargas parciales.

En la prueba Tip-Up son medidos al menos dos factores de potencia a diferentes niveles de voltaje, el factor de potencia medido a menor voltaje (FPlv) es un indicador de las prdidas dielctricas normales de la aislacin, el cual es usualmente medido al 20 % del voltaje de lnea nominal, posteriormente el voltaje se aumenta al 100% y se realiza la segunda medicin del factor de potencia (FPhv), luego el factor Tip-Up es calculado de acuerdo a la ecuacin (5.10).

lvhv FPFPUpTip = (5.10) 5.2.9.2 Mtodo del ensayo.

Para realizar esta prueba es importante que se realice en la menor cantidad de espiras posibles a la vez, para as aumentar la sensibilidad, y la espira o grupo de espiras a ensayar deben ser desconectadas del resto del devanado, las espiras adyacentes que no sern sometidas al ensayo deben ser aterrizadas. El voltaje deber ser aplicado entre el conductor y el ncleo o el electrodo que simule al ncleo.

La caracterstica del factor de potencia debe ser determinada en un amplio rango de voltajes, un rango frecuente es del 20% al 120% del voltaje de lnea a lnea nominal.

Para determinar el factor Tip-Up las mediciones deben ser realizadas en niveles de voltajes designados. Los voltajes recomendados para determinar el factor Tip-Up son al 25% y al 100% del voltaje nominal de fase. El factor de Tip-Up se obtiene al sustraer el factor de potencia obtenido al menor voltaje del factor de potencia obtenido al mayor voltaje como se indica en la ecuacin 5.10.


Mientras mayor sea el factor Tip-Up mayor es la actividad de DP en la aislacin y peor su condicin, debido a que el factor Tip-Up es una manera indirecta de medir DPs.

Diferencias en el factor Tip-Up entre espiras individuales de misma fabricacin son usualmente debidas a variaciones en la extensin de formacin de huecos en la estructura de la aislacin. Espiras que tienen mayor factor Tip-Up se consideran con mayor contenido de huecos en su aislacin. Cuando el factor Tip-Up es utilizado como una herramienta para el mantenimiento de bobinas se realizan tendencias de este valor en el tiempo. El valor inicial de Tip-Up de una fase tiene poco significado, especialmente en devanados de alto voltaje, debido a que las coberturas de control de estrs (SiC) provocan que las prdidas cambien rpidamente a medida que el voltaje en las barras aumenta, causando un Tip-Up aparente mayor, que puede dominar al real de la aislacin. Pero si este factor es medido a travs de los aos de servicio de la mquina y comienza a aumentar su valor, es una indicacin de que la bobina est teniendo importante actividad de descargas parciales y esta siendo deteriorada por ellas [5.5].

La sensibilidad de la medicin decrece cuando aumenta el nmero de espiras ensayadas, ya que cuando el test es realizado a la aislacin de una bobina completa o de una fase, un sector pequeo que est teniendo valores de Tip-Up anormales podra no tener efectos apreciables en los resultados obtenidos. El factor Tip-Up no puede ser considerado como indicador absoluto del estado de la aislacin, debe ser comparado con los resultados de otros mtodos de evaluacin.

Como gua general el factor Tip-Up de de un sistema de aislacin de epoxy-mica debe ser menor al 1%, [5.15], para un devanado que utilice mica aglomerada con polister o asfalto puede exhibir valores de Tip-Up mucho mayores y no representar problemas. Sin


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embargo, un aumento constante del factor Tip-Up de medicin a medicin puede ser un signo de deterioro.

Cabe mencionar que como medicin de actividad de DPs la prueba de factor Tip-Up es inferior a cualquier prueba de DPs, ya que es insensible a uno de los principales mecanismos de fallas en los devanados modernos de epoxy a 6 kV o superior, que son las descargas producidas en la ranura de estator, lo cual es parcialmente debido a que las descargas de ranuras no ocurren cuando el motor o generador estn fuera de servicio.

La prueba de factor Tip-Up es ms exitosa con devanados con sistemas de aislacin ms antiguos como los asflticos, en los cuales predominan los defectos de laminacin, sin embargo una prueba de DPs aun as sera ms sensible al deterioro de la peor espira o barra.

5.2.10 Prueba de Descargas Parciales.

Existen diferentes mtodos para detectar una DP, los que pueden ser encontrados en

IEEE Std. 1434-2000: Gua del usuario para realizar mediciones de Descargas Parciales en Mquinas Rotatorias (versin de prueba), Anexo 7, [5.8], de los cuales el ms comn es la medicin directa del pulso elctrico emitido al producirse una DP.

La prueba de descargas parciales Off-Line mide directamente los pulsos de corriente resultante de las DPs en un devanado energizado a voltaje de lnea nominal, as cualquier proceso que cree una DP como sntoma puede ser detectado con este mtodo. La prueba es principalmente relevante para devanados de estator formado de 2300 V y superior.


Muchos de los mecanismos de falla del devanado de estator tienen a las DPs como primera causa o sntoma del proceso. Se debe recordar que cuando ocurre una DP hay un flujo muy rpido de electrones desde un lado del hueco lleno de gas hacia el otro, y debido a que los electrones se mueven a una velocidad cercana al de la luz, a travs de una pequea distancia, el pulso tiene una pequea duracin (tpicamente de unos cuantos nanosegundos). Dado que los electrones poseen carga, cada descarga individual crea un pulso de corriente ( dtdqi /= ). Adicionalmente a la co

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