INSTITUTO POLITÉCNICO...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINA DE 13.8 kV

POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN

PÉREZ LARA CARLOS ALBERTO

ZAMORA SERRANO MARIBEL

ASESORES:

DR. FERMIN PASCUAL ESPINO CORTÉS

M. EN C. TOMAS IGNACIO ASIAÍN OLIVARES

Cd. de México, Mayo 2013

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUALP OR LA O P CIÓN DE TITULAC I Ó N C. MARIBEL ZAMORA SERRANODEBERA(N) DE SARROLLAR CCARLOSALBERTOptREZLARA

"ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINA DE 13.8 kV POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA"

ANALIZAR EL DESEMPEÑO DE LOS RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES EN BOBINAS DE 13.8 kV EN BASE A UN ANÁLISIS CON TERMO GRAFÍA INFRARROJA, PARA VERIFICAR SU FUNCIÓN COMO ATENUADORES DEL CAMPO ELÉCTRICO.

~ INTRODUCCIÓN.

~ AISLAMIENTO EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS DE MEDIA TENSIÓN.

~ RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR DE BOBINA DE 13.8 kV

~ INSPECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS POR MEDIO DE

TERMOGRAFÍA INFRARROJA.

~ CONCLUSIONES Y PROPUESTA DE SOLUCIÓN.

~ JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA

3

ASESOR

A IGNACIO A VARES ~\,V. \)~\OOS.-1t .I'~

b ~J.. ~ ~~O -~~~

~f:J o" ING. DAVID RAMÍREZ ORTIZ ~ VI ::

JEFE DEPARTAMENTO ACADÉMICO td. - ~ ~ !J

DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ~ ~ /rnrb. 41 -\t'S

JEFATURA DE INGENIERIA ELECTRICA

3

AGRADECIMIENTOS

La presente tesis se la dedico a mi familia que gracias a su apoyo pude concluir mi carrera.

A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza en todo lo necesario para cumplir con mis

objetivos como persona y estudiante.

A mi madre por brindarme los recursos necesarios y darme los consejos para poder ser una mejor

persona.

A mi pareja que siempre estuvo al pendiente en todo momento brindándome su apoyo y

confianza.

A todos en general por escucharme y darme el apoyo necesario para concluir esta etapa en mi

vida.

Carlos Alberto Pérez Lara

4

A DIOS:

Por enseñarme a valorar todos los días de mi vida, porque siempre y en todo momento está conmigo, por guiarme y cuidarme a cada paso que doy y sobre todo gracias padre bendito por darme lo que más amo en la vida y tu bendición….

A mis padres:

JOSE ZAMORA LOPEZ

Y SANTA SERRRANO CEDILLO

Gracias por su apoyo incondicional, por estar siempre conmigo y por ayudarme a terminar mi

carrera y con concluir una etapa mas en mi vida, por eso y muchas cosas más, gracias. Para

ustedes mi veneración y mi respeto.

A mi hija:

TANIA BELEM ZAMORA SERRANO

A ti mi niña gracias por enseñarme a ser cada día mejor y por ser el motivo mas fuerte para nunca dejarme vencer, gracias por esas sonrisas y alegrías que son mi mayor orgullo y satisfacción.

A mi tía, hermano y primos:

DELFINA SERRANO CEDILLO

ISMAEL ZAMORA SERRANO

ERASMO VÁZQUEZ SERRANO

PABLO VÁZQUEZ SERRANO

Gracias a mi tía que es mi segunda mamá a ustedes y a toda mi familia por siempre estar conmigo en las buenas, malas y peores. Y por ayudarme a levantar cuando no he podido mas, no tengo palabras ni forma de poder decirles que todos ustedes son lo más importante para mí.

A mis profesores y amigos:

A todos mis profesores gracias por su dedicación por su paciencia y por enseñarme a que esto no termina aquí sino que puede ser el comienzo de algo mejor y siempre habrá cosas buenas y nuevas que aprender. A mis amigos por ser parte de mi vida y una segunda familia, Gracias…….

MARIBEL ZAMORA SERRANO

5

RESUMEN

Este proyecto de tesis surge con la necesidad de verificar el desempeño de los

recubrimientos semiconductores utilizados en bobinas conformadas de media tensión.

Con esto se busca evitar fallas en forma de ruptura dieléctrica, degaste y/o envejecimiento

de los materiales aislantes, evitando así la falla completa de la máquina ya sea como

motor o como generador.

En la mayoría de los casos, el análisis de los recubrimientos semiconductores consiste en

inspección visual o simplemente no se realizan. En muchos de los trabajos reportados se

pone más atención en el aislamiento a tierra de las bobinas o el aislamiento entre vueltas.

Sin embargo, recientemente se ha puesto atención en estos recubrimientos ya que se ha

determinado que su mal funcionamiento puede en muchos casos ser el origen de una falla

catastrófica del sistema de aislamiento de la máquina. Por lo anterior el contar con una

técnica de inspección para recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión,

podría evitar la falla de las bobinas de máquinas de gran capacidad, donde una falla

representa pérdidas económicas considerables.

La termografía infrarroja es un medio utilizado para la inspección de la temperatura de los

objetos sin necesidad de contacto físico, esto gracias a la medición de las ondas

infrarrojas emitidas por los cuerpos u objetos. En el presente trabajo, esta técnica fue

aprovechada para el análisis en recubrimientos semiconductores de bobinas de máquinas

de media tensión. El recubrimiento semiconductor tiene como función aliviar el campo

eléctrico en la superficie de la bobina a la salida del estator. Esta capacidad es

acompañada por la generación de pérdidas en forma de calor (I2R) en la cinta

semiconductora que actúa como un atenuador del campo eléctrico. La uniformidad del

incremento de temperatura debida al calor resistivo se toma como parámetro para

identificar posibles anomalías en el desempeño del recubrimiento semiconductor. En base

a los resultados se muestra como zonas de alta temperatura pueden aparecer en la zona

del empalme entre la cinta conductora y semiconductora indicando un funcionamiento

incorrecto del sistema de atenuación de campo eléctrico.

6

INDICE

AGRADECIMIENTOS 3

RESUMEN

5

LISTA DE FIGURAS

8

LISTA DE TABLAS

10

LISTA DE ECUACIONES 10

LISTA DE FIGURAS DE ANEXO A 11

LISTA DE FIGURAS DE ANEXO B 12

NOMENCLATURA

13

GLOSARIO DE TERMINOS 15

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 17

1.1 GENERALIDADES 17

1.2 DESCRIPCION DEL PROBLEMA 19

1.3 ANTECEDENTES

21

1.4 OBJETIVOS

23

1.4.1 OBJETIVO GENERAL 23

1.4.2 OBJETIVO PARTICULAR 23

1.5 JUSTIFICACIÓN

24

1.6 APORTACIONES

25

1.7 ALCANCES Y LIMITACIONES 26

1.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS 27

CAPÍTULO 2: AISLAMIENTO EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS DE MEDIA TENSION 29

2.1 INTRODUCCIÓN

29

2.2 PROBLEMAS TIPICOS EN EL AISLAMIENTO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS 30

2.3 CLASE DE AISLAMIENTO Y CLASIFICACIÓN TÉRMICA 30

2.4 VIDA ÚTIL Y SU DETERMINACIÓN 31 2.5 SISTEMAS DE AISLAMIENTO DE MÁQUINAS DE MEDIA TENSIÓN (MÁQUINAS QUE

OPERAN A MÁS DE 1000 V) 34

2..5.1 ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE AISLAMIENTO 35

2.5.1.1 AISLAMIENTO ENTRE HILOS 35

2.5.1.2 AISLAMIENTO ENTRE VUELTAS 35

2.5.1.3 AISLAMIENTO A TIERRA 35

CAPÍTULO 3: RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR DE BOBINAS DE 13.8 kV 37

3.1 INTRODUCCIÓN

37

3.2 TIPO DE RECUBRIMIENTOS EN BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN 37

7

3.2.1 RECUBRIMIENTO CONDUCTOR

39

3.2.2 RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR 39

3.3

INSPECCION TERMOGRÁFICA PARA EL RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR EN BOBINAS DE 13.8 kV

41

3.3.1 CALOR

41

3.3.2 MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 41

3.3.2.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN 42

3.3.2.2 TRANSFERRENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN 42

3.3.2.3 TRANSFERRENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN 42

3.3.3 TERMOGRAFÍA INFRARROJA 42

3.3.4 LA TEMPERATURA AMBIENTE

45

3.3.5 RADIACIÓN 45

3.3.6 HUMEDAD AMBIENTE 46

3.3.7 CORRIENTES DE AIRE 46

3.3.8 TÉCNICA POR INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA 46

3.3.9 APLICACIONES DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA 46

3.3.10 VENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA 47

3.3.11 FUNCIONAMIENTO DE LA CÁMARA TERMOGRÁFICA EN FORMA GENERAL 47

3.4 SIMULACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES 47

CAPÍTULO 4: INSPECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA 54

4.1 INTRODUCCIÓN 54

4.2 CAMARA TERMOGRAFÍCA Y EL PROGRAMA THERMACAM RESEARCHER® 54

4.3 DESARROLLO DEL ANÁLISIS EXPERIMENTAL 56

4.3.1 TENSIÓN APLICADA Y EQUIPOS UTILIZADOS 56

4.3.2 REPARACIÓN DE LAS BOBINAS INSPECCIONADAS 58

4.3.3 PROCESO PARA LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA 59

4.4 RESULTADOS

61

4.5 DISCUSIÓN DE RESULTADOS EXPERIMENTALES

78

CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN 79

5.1 INTRODUCCIÓN 79

5.2 CONCLUSIONES

79

5.3 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS 80

8

CAPÍTULO 6: JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA 81

REFERENCIAS

83

I. ANEXO A: GRÁFICAS Y TABLAS DE TEMPERATURA DE CADA UNA DE LAS BOBINAS,

EN CADA UNO DE SUS LADOS 84

II. ANEXO B: FUNCIONAMIENTO DEL PAQUETE TERMACAM RESEARCHER® 100

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1.1 ESQUEMA DEL EXTREMO DE UNA BOBINA INDICANDO SUS COMPONENTES

PARA LA ATENUACION DEL CAMPO ELECTRICO DEL CAMPO ELÉCTRICO 20

FIGURA 2.1

ELEMENTOS Y PARTES DEL DEVANADO CONFORMADO EN FORMA TRANSVERSAL

34

FIGURA 2.2

SECCIÓN TRANSVERSAL DEL SISTEMA AISLANTE DEL ESTATOR DENTRO DE LA MÁQUINA

36

FIGURA 3.1

RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR PARA EL CONTROL DEL CAMPO ELÉCTRICO EN BOBINAS CONFORMADAS

38

FIGURA 3.2

MODELADO DE LA SIMULACIÓN INDICADA CON MEDIDAS ALEATORIAS

48

FIGURA 3.3

SIMULACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE LINEAS EQUIPOTENCIALES EN UNA BOBINA SIN CINTA SEMICONDUCTORA

49

FIGURA 3.4

DISTRIBUCIÓN DE LÍNEAS EQUIPOTENCIALES EN BOBINA CON CINTA SEMICONDUCTORA

50

FIGURA 3.5 SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL POTENCIAL ELÉCTRICO A LO LARGO DE LA SUPERFICIE DE LA BOBINA SIN CINTA SEMICONDUCTORA (LÍNEA EN COLOR ROJO) Y CINTA SEMICONDUCTORA (LÍNEA EN COLOR AZUL)

51

FIGURA 3.6

SIMULACIÓN DE LA BOBINA MOSTRANDO LA ZONA DE ESTUDIO

52

FIGURA 3.7

GEOMETRÍA UTILIZADA PARA LA SIMULACIÓN DE UNA BOBINA EN DOS DIMENSIONES, (1) AIRE, (2)RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR, (3) AISLANTE , (4) BOBINA

52

FIGURA 3.8

IMAGEN EN 3D DEL CALOR GENERADO EN EL RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR

53

9

FIGURA 4.1 IMAGEN DE PRESENTACIÓN PARA EL PROGRAMA THERMACAM RESEARCHER® PARAEL ANÁLISIS TERMOGRAFICO

55

FIGURA 4.2

DIMENSIONES DE LA BOBINA A ANALIZAR

56

FIGURA 4.3

TRANSFORMADOR DE ALTA TENSIÓN Y DATOS DE PLACA

57

FIGURA 4.4

VARIADOR DE TENSIÓN

57

FIGURA 4.5

MUESTRA DE LA BOBINA ANTES DE LA INSPECCIÓN , EL CIRCULO ROJO, MARCA EL ÀREA DEL EMPALME, CINTA CONDUCTORA (BOBINA 1 LADO 4)

59

FIGURA 4.6 EN LA IMAGEN TERMOGRÁFICA SE MUESTRA EL ÁREA DE INSPECCIÓN ENCERRADA EN UN CIRCULO ROJO (BOBINA 1 LADO 4)

59

FIGURA 4.7

IMAGEN CALCA DEL EMPALME (CINTA CONDUCTORA Y SEMICONDUCTORA(BOBINA 1 LADO 4)

60

FIGURA 4.8

RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 1 LADO 1

62

FIGURA 4.9


63

FIGURA 4.10


64

FIGURA 4.11


65

FIGURA 4.12 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 2 LADO 1

66

FIGURA 4.13


67

FIGURA 4.14


68

FIGURA 4.15


69

FIGURA 4.16


70

FIGURA 4.17


71

10


72


73


74


75


76


77

LISTA DE TABLAS

TABLA 2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES RESPECTO A SU TEMPERATURA MÁXIMA DE OPERACIÓN

29

TABLA 2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES DE UN SISTEMA DE AISLAMIENTO RESPECTO A SU TEMPERATURA MÁXIMA DE OPERACION

31

TABLA 4.1 VALORES NOMINALES DEL TRANSFORMADOR A LOS CUALES PUEDE REALIZARSE EL ANÁLISIS

58

TABLA 6.1

COTIZACIÓN DEL ANÁLISIS POR MEDIO DE TERMOGRAFIA

82

LISTA DE ECUACIONES

ECUACIÓN 2.1 TIEMPO DE VIDA ÚTIL DE UNA MÁQUINA 32

ECUACIÓN 2.2

TIEMPO DE VIDA ESPERADO DE UN MATERIAL AISLANTE

33

ECUACIÓN 3.1 LONGITUD DE LA CINTA SEMICONDUCTORA SEGÚN LA TENSIÓN NOMINAL DE LA MÁQUINA

40

ECUACIÓN 3.2

SUMA DE FACTORES (RADIACIÓN, REFLEXIÓN Y TRANSMISIÓN) ES IGUAL A 1

44

ECUACIÓN 3.3

SUMA DE RADIACIÓN MÁS REFLEXIÓN YA QUE LA TRANSMISIÓN ES INAPRECIABLE

44

ECUACIÓN 4.1

TENSIÓN NOMINAL DE FASE A TIERRA DE LAS BOBINAS EN SU VALOR

11

EFICAZ 58

LISTA DE FIGURAS DE ANEXO A:

A.1

GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 1 LADO 1

84

A.2 GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 1 LADO 2

85

A.3


86

A.4


87

A.5


88

A.6


89

A.7


90

A.8


91

A.9


92

A.10


93

12

A.11


94

A.12


95

A.13


96

A.14


97

A.15


98

A.16


99

LISTA DE FIGURAS DE ANEXO B:

B.1 PRESENTACIÓN TERMACAM RESEARCHER® 100

B.2 VENTANA DE PROPIEDADES 1 100

B.3 VENTANA DE PROPIEDADES 2 101

B.4 PESTAÑA PARA ABRIR ARCHIVOS 101

B.5 UBICACIÓN DE ARCHIVOS DENTRO DE LA COMPUTADORA 102

B.6 PESTAÑA PARA REALIZAR ANÁLISIS 102

B.7 CUADRO PARA GUARDAR EL ANÁLISIS 103

B.8 VISTA FINAL DEL ANÀLISIS 103

13

NOMENCLATURA

µs microsegundo.

cd corriente directa

Ca corriente altera

Ω Ohms.

V Volts.

σ conductividad eléctrica.

kV kilo volts.

°C grados centígrados.

F frecuencia.

I Corriente

Min minutos.

R resistencia.

kW kilo watts.

km. kilómetro.

m. metro.

cm. Centímetros

mm. Milímetros

Pc pérdidas por corriente.

Kc constante de

proporcionalidad.

H Henry.

D espesor de la laminación.

14

Ø flujo magnético.

Bmax densidad máxima de flujo

Kh constante de

proporcionalidad.

VA voltamper.

W Watts.

PD descarga parcial.

N número de espiras.

Q carga eléctrica.

εr permitividad relativa

VPI impregnación en vacío

ε

τ

ρ

TR

emisividad.

transmisión.

reflexión.

transformador

15

GLOSARIO DE TÉRMINOS

Bobina. Elemento de inducción electromagnética que forma parte de motores

de baja, media o alta tensión. Formado por espiras o arrollamientos

generalmente de cobre, que almacena energía en forma de campo

magnético.

Aislamiento. Se produce cuando se cubre un elemento de una instalación

eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, que

resiste el paso de la corriente a través del elemento que recubre y lo

mantiene en su trayectoria a lo largo del conductor.

Dieléctrico. Material que conduce la electricidad de forma parcial a

diferencia de los aislantes que se oponen rotundamente al paso de la

corriente, éste llega a tener una conductividad gradual.

Recubrimiento Semiconductor. Material comúnmente fabricado con

carburo de silicio en una matriz polimérica. Utilizado para poder

atenuar el campo eléctrico que disipa calor.

Recubrimiento conductor. Es una capa que mantiene uniforme el potencial

en la periferia de la bobina en las paredes del estator y la salida a

tierra, usualmente se utiliza pintura conductora o cintas que están

hechas de poliéster tejido y se impregna con una resina cargada con

grafito.

Resistencia de Aislamiento. Prueba realizada a los aislamientos eléctricos

para determinar su resistencia ante un voltaje máximo controlado y

permitido por su diseño o grosor, en muchos casos se toma un

voltaje de falla calculado.

Termografía. Técnica que permite la medición de la radiación infrarroja que

emite cualquier objeto, determinando gracias a esto la temperatura a

cierta distancia y sin contacto físico. Utilizando usualmente cámaras

termográficas.

Vida Útil. Tiempo estimado en el cual un equipo, maquinaria o elementos que

los conforman son aprovechados al máximo sin sufrir algún daño o

avería.

http://www.babylon.com/definition/conductor/Spanish

http://www.babylon.com/definition/electricidad/Spanish

http://www.babylon.com/definition/corriente/Spanish

http://www.babylon.com/definition/conductor/Spanish

16

Descargas Parciales. Es el nombre que se le da al fenómeno eléctrico que

consiste en la ionización del aire, sobre pasando sus niveles de

conductividad y creando una transición de 2 moléculas de oxigeno

(O2) a ozono (O3) éste es agresivo a los aislamientos y los degrada

de manera más rápida.

Potencial Eléctrico. Es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para

traer una carga desde el infinito hasta el punto considerado en contra

de la fuerza eléctrica. Comúnmente expresada en Volts, también se

conoce como tensión.

Atenuar. Es la capacidad de un elemento en disminuir de forma gradual ya

sea el campo eléctrico o la temperatura, por ejemplo el recubrimiento

semiconductor.

Sección de devanado. Conjunto de espiras o de discos de un devanado.

Esfuerzo eléctrico. Es la intensidad de campo eléctrico al que se

encuentran sometidos materiales aislantes.

Capítulo 1

17

CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN

1.1 GENERALIDADES.

Se les llama máquinas eléctricas rotatorias a aquellas que sirven como sistemas de

conversión de la energía mecánica a energía eléctrica o viceversa.

Las máquinas eléctricas son clasificadas en tres categorías:

A) Máquinas eléctricas rotatorias de inducción o asíncronas. Estas se utilizan para

accionar todo tipo de equipos; son las más simples y económicas pero son

demasiado robustas.

B) Máquinas eléctricas rotatorias síncronas. Se utilizan principalmente como

generadores, aunque también se utilizan como motores.

C) Máquinas de corriente continúa. Este tipo de máquina suele ser muy frágil debido

al colector y las escobillas, en la actualidad su uso ha ido en descenso ya que

existen máquinas de mayor eficiencia.

En general las máquinas eléctricas rotativas están constituidas por 2 partes; una giratoria

y otra estatórica. Dentro de la parte giratoria se encuentra el rotor, separado por el

entrehierro para permitir que entre estos haya un giro libre. El estator está construido por

chapas magnéticas aisladas que se encuentran apiladas y un devanado trifásico en las

ranuras de la superficie exterior. Para máquinas de baja tensión y potencias bajas; el

devanado está hecho con hilo de cobre esmaltado y para máquinas de media tensión se

usa cobre aislado con mica-epoxi y en caso del rotor, éste debe tener forma de cilindro

con ranuras en el interior.

Las tres categorías de máquinas rotativas tienen dos importantes formas de operar:

A) Motores que convierten la energía eléctrica en energía mecánica; en este caso, si a las espiras que están sobre los conductores se les aplica una corriente para hacerlas funcionar, éstas tienden a girar debido a la fuerza que se presenta y entonces la máquina opera como motor.

B) Generadores o también llamados alternadores convierten energía mecánica en energía eléctrica, estos pueden ser de corriente directa o corriente alterna; si el funcionamiento de la espira es iniciado mecánicamente, en el exterior aparece una fuerza electromotriz que hace que una corriente circule por estas, siempre y cuando exista un circuito cerrado, entonces se dice que opera como un generador.

Las máquinas eléctricas han sido de suma importancia en el ámbito industrial, sobre todo

los motores se han vuelto una forma indispensable de vida ya que estos pueden ser

utilizados en la generación de energía eléctrica.

Capítulo 1

18

Las averías que generalmente suelen presentarse en estos tipos de máquinas eléctricas

rotativas son:

A) Fallas mecánicas o daños en los cojinetes, aflojamientos y desalineación por mencionar algunos.

B) Asimetrías rotarias como son roturas de barras o en los anillos, averías en el entrehierro o la modificación en su tamaño.

C) Fallas en los núcleos magnéticos que se presentan cuando se degrada el aislamiento entre laminaciones y se generan corrientes parásitas presentándose un calentamiento en el núcleo.

D) Defectos en el aislamiento que son ocasionados por esfuerzos dieléctricos y mecánicos elevados. El sistema de aislamiento es uno de los más susceptibles a sufrir daño. Una encuesta realizada en los Estados Unidos de Norte América comprobó que el 36% de las fallas ocurridas en motores han sido por daños en el aislamiento en el estator y estos han terminado en corto circuito, el 9% se debe a fallas en los devanados del rotor manifestados como ruptura de barras [1].

Los sistemas de aislamiento deben estar constituidos por buenos materiales aislantes y

de soporte, con buenas propiedades mecánicas y térmicas. Uno de los materiales más

utilizados desde finales del siglo pasado es la mica aplicada en forma de láminas

compactadas o papel compuesto de este material. Como soporte se utiliza papel o

poliéster y en algunos casos se utilizan resinas sintéticas de tipo epoxi. Con la

introducción de sistema mica-pack (cinta de papel o mica con lígante –epóxico) en el año

de 1960, surgen máquinas de mayores dimensiones y con un mejor desempeño tanto

eléctrico, mecánico como térmico, alargando los periodos de vida de éstas, ya que las

características de los aislantes fueron mejores.

A comienzos del siglo pasado, el medio aislante utilizado en máquinas eléctricas, estaba

formado por hojuelas de mica ligadas con goma-laca y con un refuerzo de papel de

celulosa, en ciertos períodos se usó micafolium con asfalto como agente ligante.

La técnica de aislar los lados rectos de las bobinas envolviéndolos en grandes hojas se

simplificó cuando empezaron a emplearse máquinas para encintar, hacia el año de 1910

[1]. De forma adicional se pueden recubrir las barras y bobinas en la zona de la ranura

mediante un encintado que protege al muro aislante de posibles daños que pudieran

presentarse en esta zona por la presencia de descargas parciales. A este reforzamiento

se le llama recubrimiento conductor y está constituido generalmente por cintas con grafito.

La capa que está aplicada al final del recubrimiento conductor es llamada recubrimiento

semiconductor, el cual es un compuesto con carburo de silicio cuya función es atenuar la

tensión en esta zona y así evitar la presencia de descargas superficiales.

Capítulo 1

19

El medio aislante que está entre los conductores del devanado y la tierra o la carcasa

forman lo que se conoce como aislamiento a tierra. La resistencia de aislamiento es una

de las pruebas más utilizada en cuanto a la predicción de daños en los aislantes, sin

embargo, ésta no es muy útil para determinar el grado de envejecimiento del sistema de

aislamiento [2].

La termografía infrarroja surge desde la segunda guerra mundial aunque en esos años los

únicos que la utilizaban eran los militares, en la actualidad ésta se ha ido incrementado

considerablemente en el mercado eléctrico, como una forma de mantenimiento

preventivo, predictivo y correctivo utilizando imágenes térmicas y sin necesitar el contacto

físico con el equipo o instalación que se está inspeccionando. En el área eléctrica se

utiliza específicamente para baja, media y alta tensión ya que al realizar la inspección por

termografía infrarroja no es necesario desconectar el equipo o instalación [3]. En este

trabajo se analiza el uso de esta técnica para la inspección de recubrimientos

semiconductores de bobinas de 13.8 kV.

1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.

Como se comentó anteriormente, en las máquinas eléctricas suelen presentarse fallas en

los devanados que afectan su vida útil. El sistema de aislamiento es uno de los

componentes más susceptibles al daño y/o envejecimiento, por lo que una gran parte de

las fallas en este tipo de máquinas es asociada a este sistema.

Una de las partes del sistema de aislamiento que puede llegar a sufrir daños con mayor

frecuencia son los recubrimientos conductor y semiconductor, que se utilizan en la

superficie de la bobina. El recubrimiento conductor (carbón o grafito) que se aplica entre la

superficie aislante de la bobina y las paredes de la ranura, protege y mantiene la

superficie de la bobina a un potencial igual al de la pared, evitando entre ella y la ranura

descargas parciales. El campo eléctrico que aparece en el aire u otro gas que forma

cavidades entre la superficie de la bobina y la pared del estator puede ser soportado

hasta un valor crítico; después del cual el gas se ioniza dando origen a descargas

parciales que eventualmente irán erosionando el material aislante, de ahí la importancia

del recubrimiento conductor.

En el caso de el recubrimiento semiconductor, se aplica al terminar el recubrimiento

conductor (afuera de la ranura) y tiene como función producir una transición gradual entre

el potencial a tierra del recubrimiento conductor y la alta tensión en la superficie de la

bobina, evitando así la presencia de descargas superficiales, estos recubrimientos

semiconductores son comúnmente fabricados con carburo de silicio en una matriz

polimérica. El recubrimiento semiconductor es utilizado para poder atenuar el campo

eléctrico, lo cual es acompañado por disipación de calor.

Capítulo 1

20

Existen algunas pruebas que pueden mostrar la presencia de problemas en estos

recubrimientos, tales como la detección de descargas parciales o inspección ultravioleta.

Sin embargo, en ambos casos el recubrimiento ya debe de estar dañado para permitir la

presencia de descargas eléctricas.

Por lo anterior, existe la necesidad de contar con técnicas para verificar el funcionamiento

de estos recubrimientos antes de presentar descargas o si estas ya están presentes

poder ubicarlas.

En este trabajo se muestra como la inspección termográfica puede ser utilizada para

identificar problemas en los recubrimientos; conductor y semiconductor, antes de que

inicien descargas parciales en la superficie de la bobina. En la figura 1.1 se muestran

esquemáticamente los componentes necesarios para llevar acabo una correcta

atenuación del campo eléctrico en una bobina a la salida del estator, mostrando como las

líneas equipotenciales se separan entre ellas cuando se aplica la capa semiconductora en

la bobina.

FIGURA 1.1.- Esquema del extremo de una bobina indicando sus componentes, para la atenuación del campo eléctrico

Los recubrimientos se pueden ver afectados por varios factores, como son:

A) Temperatura.

B) Humedad.

C) Contaminación.

D) La aplicación de una sobretensión o la circulación excesiva de corriente.

Capítulo 1

21

Debido a la gran importancia del funcionamiento de los recubrimientos semiconductores

en bobinas de máquinas de media tensión, se realizará un análisis de su desempeño; que

permitirá mostrar algunos indicios de la mala operación de los recubrimientos. Esto se

llevará a cabo por medio de una simulación y una inspección termográfica, detectando así

las fallas por medio de la temperatura que estas emiten.

1.3 ANTECEDENTES.

Con el tiempo se han realizado estudios del comportamiento de las máquinas eléctricas

rotativas y del funcionamiento de cada una de las partes que las componen, para

diseñarlas y utilizarlas con la mayor eficiencia posible. En el presente siglo se ha puesto

atención en el sistema de aislamiento, específicamente en la parte final de la bobina y el

sistema a tierra. Varios investigadores han hecho estudios y pruebas sobre esta parte de

las máquinas, dentro de estas investigaciones se encuentran los artículos de N. Frost [7],

Emery [6], J. A. Alison [8] y Roberts [9]. En estos trabajos se describen los resultados de

pruebas realizadas a los recubrimientos, y se describe la importancia de su uso en

máquinas de media tensión.

El artículo de Frost [7] menciona que en máquinas de media tensión se crean campos

eléctricos no uniformes en la parte final del recubrimiento conductor, generando

descargas superficiales que dan lugar a la degradación del sistema de aislamiento. El

intenso campo eléctrico que se genera en esta zona puede ser controlado colocando

recubrimientos semiconductores a lo largo de la superficie. Estos materiales son

típicamente de carburo de silicio y poliéster y pueden tener diferentes grados de no

linealidad, en este trabajo se muestran diferentes materiales y sus características.

En el artículo de Emery [6] también se discute el uso de cintas semiconductoras, las

cuales son generalmente de poliéster con una impregnación de resina cargada de carburo

de silicio, se menciona que este tipo de barniz tarda en secar 24 horas aproximadamente.

En éste, también se hace mención a un estudio que se realizó para determinar el rango

de la resistencia de la capa conductora, así como sobre los efectos de disipación de

energía térmica y el envejecimiento de la cinta. Se considera que un aumento de

temperatura puede ser una base racional para determinar el límite de la resistividad de la

capa conductora. Cualquier elevación de temperatura produce un aumento en la tasa de

degradación térmica de la cinta conductora. Este envejecimiento térmico debe de ser

aminorado mediante un re-diseño del recubrimiento. En este trabajo se establece que a

medida que la capa conductora envejece térmicamente, su resistencia disminuye y la

corriente aumenta, lo cual provoca que llegue a quemarse. Una alternativa que presenta

este artículo, es la de utilizar una capa semiconductora que requiere menor tiempo de

secado, la cual se considera que da mejores resultados en la eliminación de descargas

superficiales.

Capítulo 1

22

En el artículo de J. A Allison [8] describe las características de los materiales utilizados en

los recubrimientos conductores y semiconductores. También se describen la

impregnación al vacío (VPI por sus siglas en inglés). Con el uso de cintas conductoras de

poliéster se tiene la ventaja de poder aplicar esta en capas delgadas para llenar los

pequeños espacios entre la superficie de la bobina y el estator. El propósito de estas

cintas, es reducir la intensidad de campo eléctrico superficial en la bobina por debajo de la

rigidez dieléctrica del aire. Coincide con el artículo de N. Frost, en que colocar una capa

de carburo de silicio, que tiene una resistencia no lineal, es indispensable para tensiones

superiores a 13.8 KV y recomienda aplicar dos capas de cinta sobre el primer 50%, de la

sección más cercana al estator de la máquina.

El artículo de Roberts [9] menciona que además del daño de las descargas parciales en el

aislamiento otro problema es la generación de ozono por estas descargas. El ozono

puede ser llevado por la corriente de aire de refrigeración fuera de la máquina, este gas

es asociado a una cierta toxicidad, por lo que se tiene que asegurar que la cantidad de

ozono se mantenga en niveles aceptables para prevenir problemas de salud con las

personas que están en constante contacto con el ozono.

Fallas en los recubrimientos conductor y semiconductor se han vuelto de importancia en

máquinas con modernos sistemas de aislamiento que soportan un mayor esfuerzo

eléctrico y por lo tanto son de menor espesor, y también en motores accionados por

controladores de velocidad con modulación PWM. Por lo anterior se vuelve indispensable

el contar con técnicas que ayuden a verificar la calidad de estos recubrimientos incluso

antes de ser instalados en las ranuras del estator.

Capítulo 1

23

1.4 OBJETIVOS.

1.4.1 OBJETIVO GENERAL.

Analizar el desempeño de los recubrimientos semiconductores en bobinas de máquinas

de 13.8 kV en base a un análisis con termografía infrarroja, para verificar su función como

atenuadores de campo eléctrico.

1.4.2 OBJETIVOS PARTICULARES.

1. Mostrar la necesidad del uso de los recubrimientos semiconductores.

2. Determinar los tipos de fallas que se pueden presentar en recubrimientos semiconductores por medio de termografía infrarroja.

3. Identificar los factores que afectan el desempeño de los recubrimientos semiconductores por medio de la termografía infrarroja.

Capítulo 1

24

1.5 JUSTIFICACIÓN.

Las máquinas eléctricas han sido y son importantes para la industria, aunado a esto, el

incremento de la capacidad de los motores para grandes procesos ha llevado a la

necesidad de que estas sean construidas para operar en media tensión (2 kV hasta 13.8

kV). Por su capacidad, estas máquinas se vuelven esenciales y cualquier falla en ellas

representa pérdidas económicas elevadas para las industrias.

El sistema de aislamiento es una de las partes más susceptible a fallas, por lo que

siempre existe la necesidad de contar con técnicas de diagnostico para evaluar estos

sistemas. El recubrimiento semiconductor es una de las partes del aislamiento más

críticas y aún no existe una técnica bien establecida para su evaluación.

Es por esto que el análisis del sistema aislante, específicamente, el área donde se

encuentran el recubrimiento conductor y semiconductor es de suma importancia pues se

dice que la vida útil de las máquinas eléctricas depende en gran medida de estos

componentes. Regularmente el daño que presentan durante su funcionamiento se puede

manifestar en forma de energía calorífica, esto quiere decir que existen pérdidas

eléctricas produciendo elevaciones de temperatura, los puntos calientes degradan los

materiales aislantes y con el tiempo esto puede llevar a la falla completa de la máquina.

La generación de calor es una consecuencia natural de la propiedad de atenuar el campo

eléctrico en la superficie de las bobinas. Sin embargo, cuando el calor disipado se vuelve

excesivo o cuando éste se localiza de manera no común en la superficie de la bobina,

esto implica que el recubrimiento podría no estar funcionando correctamente. Por lo

anterior en este trabajo se busca establecer la utilidad de la inspección infrarroja para la

evaluación de los recubrimientos semiconductores.

Esta técnica ha sido utilizada como una forma de mantenimiento preventivo, predictivo y

correctivo, utilizando imágenes térmicas, y es recomendada, ya que no necesita contacto

físico con el equipo que se está inspeccionando ni se requiere el paro de la producción o

generación.

Capítulo 1

25

1.6 APORTACIONES.

En este trabajo de tesis se realizó el análisis del desempeño de recubrimientos

semiconductores de bobinas de media tensión en la zona determinada como empalme,

que es donde converge la cinta conductora y semiconductora. Esto se hace con el fin de

verificar el correcto funcionamiento de la cinta semiconductora como atenuador del campo

eléctrico.

Inicialmente se realizaron simulaciones para observar las zonas donde pudiera existir

mayor presencia de calor, y mediante la inspección termográfica mostrar si las

simulaciones coinciden con los puntos de mayor calor. Al localizar estos puntos se

detectan las zonas propensas a desgastes y rupturas eléctricas, y se confirma si las

capas conductora y semiconductora cumplen o no con su función. Las imágenes

infrarrojas son comparadas con imágenes en forma de calca del área del empalme para

verificar la correspondencia de los puntos calientes con la disposición del encintado de los

recubrimientos.

Capítulo 1

26

1.7 ALCANCES Y LIMITACIONES.

ALCANCES:

1. Las pruebas fueron realizadas en bobinas conformadas, reales de 13. 8 kV.

2. Se utilizaron placas aterrizadas en las paredes laterales de las bobinas para simular la

ranura del estator.

3. Se analizaron 16 secciones terminales con recubrimientos semiconductores.

LIMITACIONES:

Al realizar en análisis se prescindió de lo siguiente:

1. Realizar el estudio con la bobina colocada en el núcleo del estator.

2. Realizar un estudio general de todas las bobinas montadas en la máquina para

observar su funcionamiento y verificar si el análisis es correcto.

Capítulo 1

27

1.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS.

Capítulo 1.-

En este capítulo se da una breve explicación de las máquinas eléctricas en general, se

describe el problema dando una breve introducción al tema de tesis y mostrando la zona

de la bobina de 13.8 kV en la cual se localizan los recubrimientos conductor y

semiconductor (área de inspección). Además se delimitan los objetivos, se presentan la

justificación, aportaciones, alcances y limitaciones del trabajo de tesis.

Capítulo 2.-

Se describen todos los elementos que tienen un papel determinante para el

funcionamiento correcto de los sistemas de aislamiento en máquinas de media tensión,

como se clasifican los aislamientos y los efectos que producen su deterioro. En particular

se abordan las características particulares de cada parte constitutiva de los aislamientos

utilizados en bobinas de 13.8 kV.

Capítulo 3.-

Dentro de este capítulo se toma en cuenta las consideraciones teóricas acerca de los

recubrimientos; conductor y semiconductor, además de los conceptos básicos para

comprender el funcionamiento de la cámara termográfica.

En este capítulo se muestra los resultados obtenidos mediante simulaciones de campo

eléctrico a una bobina de 13.8 kV, tanto en dos como en tres dimensiones para poder

compararlo con las pruebas realizadas en el laboratorio, de esta forma se tiene un punto

de comparación o un resultado esperado al momento de realizar el análisis de forma

experimental.

Capítulo 4.-

En este capítulo se da una breve explicación de la manera en la que se utiliza el programa

computacional con que se realiza la inspección por medio de la termografía infrarroja,

además del procedimiento y los aparatos utilizados en la realización de las pruebas

experimentales dentro del laboratorio.

Otra parte importante para la realización del análisis, fue obtener las imágenes calcadas

de la zona del empalme de la bobina de 13.8 kV , lo cual es indispensable para poder

comparar todos los resultados obtenidos en cada prueba realizada.

Capítulo 1

28

Posteriormente se hace el análisis y se muestran los resultados obtenidos de las pruebas

a los recubrimientos semiconductores comparando las tres imágenes obtenidas la imagen

digital, la calcada y por último la imagen termográfica.

Capítulo 5.-

En este capítulo se presentan las conclusiones de la inspección termográfica dando

recomendaciones para trabajos futuros.

Una vez hecho el análisis se dan los factores que afectan el funcionamiento del

recubrimiento semiconductor, se presentan las zonas de mayor calentamiento y se hace

mención del problema para dar una posible solución.

Capítulo 6.-

En este capítulo se presenta la justificación económica del costo del análisis realizado al

recubrimiento semiconductor..

Capítulo 2

29

CAPÍTULO 2 : AISLAMIENTO EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATORIAS DE MEDIA TENSIÓN

2.1. INTRODUCCIÓN.

Existe una gran diversidad de materiales dieléctricos con diferentes propiedades

eléctricas, térmicas y mecánicas como son; vidrio, cerámica, goma, mica, cera, papel,

madera seca, porcelana, baquelita, así como algunas grasas para uso industrial y

electrónico. Algunos de estos son usados en el sistema de aislamiento de las máquinas

de media tensión, en este capítulo se describen las diferentes partes de este sistema de

aislamiento y las principales causas que producen su deterioro.

El envejecimiento térmico se produce a medida que los sistemas eléctricos de aislamiento

se van degradando como resultado del calentamiento excesivo, la mayoría de las veces

producido por efecto Joule en conductores o también llamadas pérdidas dieléctricas,

en aislantes. Se ha comprobado que la vida útil de los elementos del sistema decrece a la

mitad por cada aumento de 10 °C en la temperatura de funcionamiento [4]. En el caso

extremo el aislamiento se degradará y carbonizará rápidamente una vez que alcance el

límite de la temperatura a la cual está diseñado.

Los materiales aislantes que protegen conductores, ranuras y otras partes del motor se

clasifican en función de su máxima temperatura de operación. En motores y generadores

se emplean las cuatro clases térmicas de aislamiento que se presentan a continuación en

la Tabla 2.1. Más adelante se describen con detalle los materiales utilizados en cada

clase.

TABLA 2.1 Clasificación de los aislamientos respecto a su temperatura máxima de operación.

CLASE TEMPERATURA

Clase A (105°C)

Clase B (130°C)

Clase F (155°C)

Clase H (180°C)

http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio

http://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1mica

http://es.wikipedia.org/wiki/Goma

http://es.wikipedia.org/wiki/Mica

http://es.wikipedia.org/wiki/Cera

http://es.wikipedia.org/wiki/Papel

http://es.wikipedia.org/wiki/Madera

http://es.wikipedia.org/wiki/Porcelana

http://es.wikipedia.org/wiki/Baquelita

http://es.wikipedia.org/wiki/Grasas

Capítulo 2

30

2.2. PROBLEMAS TÍPICOS EN EL AISLAMIENTO DE MÁQUINAS

ELÉCTRICAS ROTATIVAS.

Se llama aislamiento eléctrico al material o medio que es colocado entre conductores que

se encuentran a diferentes potenciales y que solo permiten pasar una corriente pequeña

que se encuentra en fase con el voltaje que se le ha aplicado. Este medio o material es

usualmente representado con una resistencia y un capacitor que está en paralelo.

Los daños y rupturas en estos materiales suelen darse por esfuerzos eléctricos excesivos,

por el envejecimiento térmico, por fallas mecánicas, entre otros factores. Estas

condiciones modifican las características resistivas y capacitivas del material dieléctrico lo

cual se ve en muchos casos reflejado con un incremento de la corriente a través del

material que genera calor. Una vez que se genere calor, si este hace que se rebase el

límite de la temperatura permitida, el aislante se degradará y se carbonizará en el caso

extremo.

En la superficie de los aislantes sólidos, y en interfaces con otros medios aislantes, una

falla muy común es la formación de trayectorias carbonizadas, las cuales se forman

cuando circula una gran corriente sobre las superficies. Este mecanismo de falla se da

muy a menudo cuando se aplican sobretensiones a los equipos o cuando existe

contaminación en las superficies aislantes. Estas trayectorias se pueden ir haciendo más

extensas hasta llegar a producir cortocircuitos.

Otro problema que llega a presentarse en el sistema de aislamiento de máquinas de

media tensión, es la presencia de descargas parciales. Las descargas parciales son una

ruptura localizada que aunque no producen la falla instantánea del aislamiento, estas

degradan paulatinamente al dieléctrico.

2.3. CLASE DE AISLAMIENTO Y CLASIFICACIÓN TÉRMICA

Existen temperaturas máximas permitidas a las cuales el sistema de aislamiento de una

máquina rotativa puede operar sin dañarse. Estas temperaturas máximas se clasifican

conforme a la IEC [13] como se muestra en la tabla 2.2, donde se enlistan los materiales

más comunes utilizados en cada clase.

Capítulo 2

31

TABLA 2.2 Clasificación de los materiales de un sistema de aislamiento respecto a su temperatura máxima de operación [13].

2.4. VIDA ÚTIL Y SU DETERMINACIÓN

El índice del desempeño de las máquinas se llega a determinar por medio de

consideraciones mecánicas y térmicas. Por ejemplo la corriente máxima, por lo general se

determina mediante la temperatura máxima de operación que puede soportar el

aislamiento sin daño o una reducción excesiva de vida útil. Tomando en cuenta este

ejemplo se puede determinar la velocidad máxima de un motor o un generador mediante

la consideración mecánica relacionada con la integridad estructural del rotor o el

rendimiento de los cojinetes. Por lo que se puede decir que la elevación de la temperatura

resultante de las pérdidas óhmicas, mecánicas ó por carga dispersa en el núcleo nos

ayudará a determinar el nivel de operación de la máquina, así, como del tiempo de vida

de los aislamientos.

Por tanto se puede decir que la temperatura de operación de una máquina eléctrica está

íntimamente asociada a su vida útil debido a que el deterioro del aislamiento está en

función tanto del tiempo como de la temperatura.

Clase Tipo de Materiales Temperatura

Y Fibrosos a base de celulosa o ceda, no saturados, no inmersos en

líquidos aislantes, y materiales semejantes. 90°C

A Fibrosos, a base de celulosa o seda, típicamente saturados con

líquidos aislantes y otros materiales semejantes. 105 °C

E Fibras orgánicas sintéticas y otros materiales. 120°C

B Comprenden materiales a base de poliéster y polimidicos aglutinados

con materiales orgánicos o saturados con estos. 130 °C

F Materiales a base de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinados con

materiales sintéticos, en general siliconas, poliésteres o epóxidos. 155 °C

H Materiales a base de mica, asbestos o fibra de vidrio aglutinados

típicamente con siliconas de alta estabilidad térmica 180°C

C Incluye mica, vidrio cerámica y cuarzo sin aglutinante. mayor a 180°C

Capítulo 2

32

Este deterioro del aislamiento se presenta en un fenómeno químico donde se llega a una

oxidación y un endurecimiento que vuelve quebradizo al material por lo que esto conduce

a la pérdida de la durabilidad mecánica y la capacidad de trabajar como un dieléctrico.

Eso se puede representar mediante la Ecuación 2.1 [14].

t.v = AeB/T. EC. 2.1

En donde;

t.v= tiempo de vida útil

A y B =constantes

T= temperatura absoluta;

Cuando se grafica la vida útil en una escala logarítmica contra el reciproco de la

temperatura absoluta en una escala uniforme, debe resultar una línea recta. Las gráficas

de ese tipo constituyen guías valiosas en la evaluación térmica de los materiales y los

sistemas de aislamiento.

Es posible obtener una idea muy aproximada de la relación vida/temperatura a partir de la

regla empírica de que el tiempo de falla del aislamiento orgánico se reduce a la mitad por

cada elevación de 8 a 10 °C.

Las pruebas aceleradas de vida en modelos, llamados motoretts (pruebas de vida

acelerada para la evaluación del aislamiento en máquinas pequeñas) son de uso común

en la evaluación del aislamiento. Sin embargo, esas pruebas no son fáciles de aplicar a

todo el equipo, en especial a los sistemas de aislamiento de máquinas grandes.

En general, en las pruebas de vida se intenta simular las condiciones de servicio. Suelen

incluir los siguientes elementos:

1. Choque térmico resultante del calentamiento a la temperatura de prueba.

2. Calentamiento sostenido a esa temperatura.

3. Choque térmico resultante del enfriamiento hasta la temperatura ambiente o por

debajo de esta.

4. Vibración y esfuerzo mecánico como los que pueden encontrarse en el servicio

real.

5. Exposición a la humedad.

6. Pruebas dieléctricas para determinar la conducción del aislamiento.

Capítulo 2

33

La dependencia de la vida útil de los materiales aislantes respecto a su temperatura es

primordial, es por eso que existen diversos tipos o clasificaciones dependiendo de la

temperatura de operación. Como se muestra en la ecuación 2.1 donde solo se utiliza una

temperatura absoluta, a diferencia de la ecuación 2.2 donde se utiliza una constante

dependiendo de la clase a la que pertenezca el aislante y así obtener un tiempo de vida

esperado.[14].

EC. 2.2

Donde:

Capítulo 2

34

2.5. SISTEMAS DE AISLAMIENTO DE MÁQUINAS DE MEDIA TENSIÓN

(MÁQUINAS QUE OPERAN A MAS DE 1000V)

En máquinas de media tensión para el embobinado del estator se colocan bobinas

preformadas donde se utilizan conductores de forma cuadrada o rectangular, cabe

mencionar que para la construcción del devanado es necesario que las bobinas sean

separadas antes de ser colocadas en las ranuras del estator.

Estas bobinas se forman por vueltas continuas de conductor hasta llegar a la forma

llamada tipo ”diamante”, teniendo desde dos hasta doce vueltas con una conexión dentro

del bobinado que va a depender del número de polos para el cual se diseñe la máquina.

Con el propósito de tener una mayor eficiencia en el uso del espacio en ranuras, este tipo

de bobinas es el más utilizado, puesto que este sistema permite el uso de la máxima

cantidad de conductor. Además esta disposición permite mantener las primeras vueltas

separadas de las últimas, condición importante en estos niveles de tensión y a diferencia

de las aleatoriamente distribuidas que se utilizan en baja tensión. Esto se observa en la

Figura 2.1.

FIGURA 2.1 Elementos y partes del devanado conformado en forma transversal.

Cada elemento que conforma el aislamiento del embobinado tiene diferentes

características con las cuales se busca hacer al sistema más eficiente y menos propenso

a fallas.

Capítulo 2

35

2.5.1. ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE AISLAMIENTO

2.5.1.1. AISLAMIENTO ENTRE HILOS

Este es el más cercano a los conductores portadores de corriente y el más expuesto a las

altas temperaturas, es por eso que deben ser considerados dos tipos de fallas

importantes para evitar su deterioro.

1. Las mecánicas: cuando la corriente que viaja por la sección transversal de los

conductores es alta.

2. La eléctrica: si los conductores tuvieran un espesor mayor de 8.5 mm la corriente no

circularía uniformemente en la sección transversal, sino que es concentrada hacia la

superficie, lo cual ocasionaría el aumento de la resistencia efectiva y se presenta una

pérdida de energía, para evitar que esto suceda se aíslan los hilos que forman al

conductor.

2.5.1.2. AISLAMIENTO ENTRE VUELTAS.

El aislamiento entre vueltas se encuentra directamente en contacto con los conductores.

Cuando una corriente excesiva fluye por los conductores se incrementan las pérdidas por

efecto Joule y la temperatura se eleva lo que paulatinamente degrada el aislamiento [9].

Normalmente cuando la máquina opera, sufre un esfuerzo mecánico que es inducido por

las fuerzas magnéticas generadas en el estator esta fuerza a su vez actúan sobre el

aislamiento entre vueltas.

Otra condición que afecta considerablemente a el aislamiento entre vueltas, son las

sobretensiones de frente rápido, las cuales pueden llegar a generar distribuciones no

lineales de tensión a lo largo de las bobinas, esforzando al aislamiento entre vueltas por

arriba de su condición normal de operación.

2.5.1.3. AISLAMIENTO A TIERRA

El aislamiento de los conductores a tierra tiene como función mantener una barrera

eléctrica entre éstos y el núcleo del estator que está conectado a tierra. De esta forma los

conductores están separados de las paredes del estator.

Capítulo 2

36

Una característica importante de diseño de este aislamiento es su grosor ya que debe de

ser tal que soporte la tensión aplicada, pero que además permita transferir de manera

adecuada el calor de los devanados al estator.

Para evitar vibraciones en los conductores causadas por la fuerza magnética a

consecuencia de altas corrientes, se utiliza el diseño mecánico que se muestra en la

figura 2.2, si éste no fuera el adecuado provocaría que hubieran espacios de aire y se

tendrían vibraciones. [4].

FIGURA2.2 Sección transversal del sistema aislante del estator dentro de la ranura [4].

Capítulo 3

37

CAPÍTULO 3 RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR DE BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN

3.1. INTRODUCCIÓN.

En este capítulo se describe la utilidad y el comportamiento de los recubrimientos

conductor y semiconductor en las bobinas de media tensión, y la importancia del buen

funcionamiento de ambos recubrimientos para evitar problemas en el sistema de

aislamiento. También en este capítulo se describe como la termografía infrarroja puede

ser utilizada para detectar problemas en el recubrimiento semiconductor.

3.2. TIPOS DE RECUBRIMIENTOS EN BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN

Los recubrimientos conductor y semiconductor en bobinas de media tensión sirven para la

atenuación de esfuerzos eléctricos. Estos recubrimientos juegan un papel importante en

el sistema de aislamiento ya que previenen la aparición de descargas parciales que

pudieran presentarse en las bobinas, específicamente en donde se encuentran intersticios

de aire entre ésta y el núcleo del estator y a la salida de las bobinas de la ranura.

Cuando las máquinas rotatorias de media tensión son operadas, por los niveles de

tensión que se manejan se genera un campo eléctrico considerablemente alto entre los

conductores energizados y los componentes que están a tierra, así como entre

conductores a diferentes potenciales. El campo eléctrico es no uniforme en la mayoría de

las partes energizadas de la máquina, por lo que, si este campo es lo suficientemente

alto, (superior - 3000 V / mm) puede llegar a producir la ionización del aire, es decir una

descarga parcial en cavidades o en la superficie de las bobinas. Con el tiempo estas

descargas carbonizan a los materiales aislantes produciendo cortos circuitos dentro de la

máquina.

Cuando se aplica tensión entre el conductor y la cinta conductora, la discontinuidad en el

final de la cinta puede resultar en un alto esfuerzo eléctrico a lo largo de la superficie del

aislamiento. Es en esta zona donde se coloca la cinta semiconductora que sirve para

controlar el campo eléctrico al final de la cinta conductora.

La cinta conductora ayuda a que no existan separaciones entre la bobina y la ranura del

estator a diferentes potenciales, eliminando las posibles bolsas de aire que puedan

producir descargas. La pintura o cinta conductora se utiliza solo en la sección de la bobina

dentro de la ranura para que su superficie se encuentre al mismo potencial que el núcleo

del estator. Este material es típicamente un aglutinante en la forma de una cinta o pintura

con grafito.

Capítulo 3

38

El recubrimiento semiconductor se diseña dependiendo del nivel de tensión que le será

aplicado, encontrándolo en forma de una cinta o pintura, según convenga mejor su

aplicación. Sin este material, los campos eléctricos en el final del brazo de la bobina

degradarían los aislantes, ocasionando averías al motor, es por eso que se necesita un

recubrimiento semiconductor adecuado al nivel de tensión. La función del recubrimiento

semiconductor es reducir al máximo el gradiente de campo eléctrico en la zona antes

mencionada de la bobina.

En resumen, en las máquinas de media tensión se utilizan dos tipos de recubrimientos

para poder reducir o atenuar la intensidad de campo eléctrico.

1. Recubrimiento conductor

2. Recubrimiento Semiconductor

En la figura 3.1 se muestra la sección del final del brazo de la bobina donde son usados

los dos tipos de recubrimientos, semiconductor y conductor. En la parte A, se usa pintura

conductora o cintas, que están hechas de poliéster tejido y se impregnan con una resina

cargada de grafito. En cuanto a la parte B, el recubrimiento semiconductor que es de un

compuesto cargado con carburo de silicio, permite un cambio gradual de tensión elevada

que se presenta entre el recubrimiento conductor a tierra y la superficie del conductor.

Una diferencia marcada entre ambos es que en el recubrimiento conductor la

conductividad (σ) es constante y en el recubrimiento semiconductor la (σ) depende del

campo eléctrico. A continuación se describen con más detalle ambos recubrimientos.

FIGURA3.1. Recubrimiento conductor y semiconductor para el control de campo eléctrico en

las bobinas conformadas.

Capítulo 3

39

3.2.1. RECUBRIMIENTO CONDUCTOR

El recubrimiento conductor en las bobinas de media tensión, es pintura que mantiene la

misma tensión entre el estator y la sección del final del brazo de la bobina.

Al encontrar pequeñas bolsas de aire en la ranura del estator y la bobina, la tensión

genera la ruptura del aire, esto puede ocasionar el daño tanto de la ranura como en los

sistemas de aislamiento de la bobina. La ruptura de las superficies se encuentra

altamente relacionada con la humedad y la separación que exista entre la bobina y la

ranura, es por eso que se utilizan estas cintas protectoras para que supriman la

posibilidad de ruptura en los espacios entre la ranura del estator y la bobina.

Las descargas parciales entre estator y la superficie dentro de la ranura además generan

ozono, este ozono es asociado a una cierta toxicidad, por lo que se tendrá que asegurar

que la cantidad de ozono se mantenga en cantidades aceptables para prevenir problemas

de salud con las personas laborando en las cercanías de las máquinas.

Con las cintas conductoras se tiene la dificultad de obtener una resistencia uniforme en la

superficie de la bobina, su método de aplicación es tardado y requiere de un tiempo largo

de secado.

La pintura conductora debe tener una resistencia específica que permita evitar descargas

en las cavidades de aire existentes entre la bobina y las laminaciones del estator pero que

no sea tan alta como para cortocircuitar las laminaciones del estator y provoque corrientes

eddy en esta zona [6]. Un valor típico de resistencia superficial para este recubrimiento es

de entre 102 a 104 /cuadro.

3.2.2. RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR

En los materiales semiconductores, su resistencia depende de la intensidad de campo

eléctrico. El valor de la resistencia se ve afectada por varios parámetros que no

únicamente incluyen las propiedades del producto sino también el método de medición, la

temperatura, el envejecimiento y su procesamiento.

Estos materiales se utilizan sólo en los grandes generadores o motores para controlar el

esfuerzo y eliminar las descargas parciales en el aislamiento del estator .

Para eliminar cualquier material que altere el funcionamiento de la cinta semiconductora,

en la superficie de la bobina se utilizan cintas protectoras, que por lo general son

materiales flexibles que actúan como un escudo de protección.

Capítulo 3

40

Los materiales utilizados actualmente pueden variar en su composición ya que a

consecuencia de los continuos desgastes a los que se ven expuestos, estas cintas están

fabricadas a base de lana de poliéster impregnada con carburo de silicio con una base de

resina. La resistencia de la cinta semiconductora es variable según la tensión de

aplicación [7].

El diseño de las cintas semiconductoras está en función de la tensión nominal de la

máquina, su función es reducir la intensidad de campo en la superficie de la bobina por

debajo de la intensidad de campo de ionización del aire.

La longitud de la cinta semiconductora se determina en función de la tensión nominal de

la máquina, como se muestra a continuación en la Ecuación 3.1.

EC. 3.1

Por ejemplo. Si la tensión de la máquina es de 11kV con una prueba de voltaje máxima de

23 kV tendremos lo siguiente:

Ejemplo de la Ecuación 3.1

Para tensiones superiores a 13,8 kV, se recomienda aplicar dos capas de cinta sobre el

primer 50% del recubrimiento (la más cercana al núcleo de la máquina) [8].

Capítulo 3

41

3.3. INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA PARA EL RECUBRIMIENTO

SEMICONDUCTOR EN BOBINAS DE 13.8 kV.

Antes de describir la técnica de la inspección termográfica primero es necesario definir

algunos conceptos fundamentales para después mostrar cómo esta técnica es utilizada

en esta tesis.

3.3.1. CALOR

La materia está compuesta por átomos y moléculas que se encuentran en constante

movimiento produciendo energía, la cual es considerada como calor. También se dice que

mientras más calor se aplique, el movimiento de los átomos y moléculas es más rápido y

la energía o calor va en ascenso.

Un objeto puede contener calor o energía térmica a base de un proceso de conversión de

la energía es decir por medio de transformación de la energía a calor. Esta energía

térmica puede ser transferida a otros cuerpos u objetos, se puede observar diariamente

en la vida cotidiana; simplemente al calentar algo, se incrementa la velocidad de las

moléculas tanto del objeto que es sometido a este cambio como del contenido del mismo

[12].

3.3.2. MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Se define a la transferencia de calor, como el cambio de temperatura entre dos cuerpos, o

bien cuando dos cuerpos tienen diferentes grados de temperatura son llamados fuente y

recibidor; la fuente es aquel objeto con mayor temperatura y el recibidor es el de menor

temperatura, esto quiere decir que la fuente va a transferir su temperatura al recibidor.

Existen 3 modos de transferencia de Calor:

1. Transferencia de calor por Conducción

2. Transferencia de calor por Convección

3. Transferencia de calor por Radiación

Capítulo 3

42

3.3.2.1. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN

Este tipo de transferencia de calor se da en sólidos, líquidos y gases, este tipo de

transmisión es importante para los termógrafos pues sirve para determinar el calor

transmitido. El valor transmitido por conducción estacionaria es directamente proporcional

a la σt conductividad térmica del objeto, sin embargo cuando el calor fluye en su sección

transversal, la diferencia de temperatura que existe entre dos puntos del objeto es

inversamente proporcional a la longitud o distancias entre estos.

3.3.2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN

Esta se da en los fluidos o bien en los líquidos o gases, lo que sucede en este tipo de

transferencia es que los fluidos calientes aumentan su proporción, el calor siempre va de

la zona más caliente a la zona más fría debido al movimiento molecular, mientras el fluido

esté caliente las moléculas están más alejadas y viceversa.

3.3.2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN

Este tipo de transmisión es emitida por la materia por medio de ondas electromagnéticas

no necesita de medio alguno de contacto o de transmisión, incluso en el vacío se da la

transferencia de calor. [12].

3.3.3. TERMOGRAFÍA INFRARROJA

La termografía infrarroja va directamente relacionada con la radiación infrarroja, la cual

puede ser emitida por cualquier material o cuerpo cuya temperatura sea mayor al cero

absoluto (0 Kelvin = -273.15 C), que es detectada por la cámara termográfica. [12].

Esta cámara mide la onda larga de radiación infrarroja recibida en el campo de visión, a

partir de la cual calcula la temperatura del objeto a medir.

El cálculo toma en cuenta diversos factores que afectan las mediciones hechas por la

cámara termográfica y son determinantes para una correcta medición de la temperatura.

Capítulo 3

43

La Reflexión, la Transmisión y la Emisividad (ε) son los factores tomados en cuenta para

el ajuste y cálculo de la temperatura del objeto a medir. En donde la Emisividad de la

superficie del objeto medido así como la compensación de la temperatura reflejada se

puede ajustar manualmente en la cámara termográfica. La emisividad (ε) es la medida de

la capacidad de un material de emitir (propagar) radiación infrarroja. [12].

1. La ε varía según las propiedades de la superficie, el material, y, (para algunos materiales) según la temperatura del objeto medido.

2. Emisividad máxima: ε = 1 (100%). En realidad, nunca se da.

3. Cuerpos reales: ε < 1, porque los cuerpos reales también reflejan y algunos incluso transmiten radiación.

4. Muchos materiales no metálicos (p.ej. PVC, hormigón, sustancias orgánicas) tienen una elevada emisividad en el rango infrarrojo de onda larga que no depende

de la temperatura (ε ≈ 0.8 a 0.95).

5. Los metales, sobre todo aquellos con una superficie brillante, tienen una baja

emisividad que fluctúa con la temperatura.

6. La ε se puede configurar manualmente en la cámara.

7. Reflexión (ρ) es la medida de la capacidad de un objeto de reflejar la radiación infrarroja.

8. La ρ depende de las propiedades de la superficie, la temperatura y el tipo de material.

9. Por lo general, las superficies lisas y pulidas reflejan mucho más que las irregulares y sin pulir del mismo material.

10. La temperatura de la radiación reflejada se puede configurar manualmente en la cámara termográfica.

11. En muchas aplicaciones, la reflexión corresponde con la temperatura ambiente, medible con el termómetro.

12. El ángulo de reflexión de la radiación infrarroja reflejada es siempre el mismo que el ángulo de incidencia Transmisión (τ) es la capacidad de un material de transmitir (permitir el paso) la radiación infrarroja.

13. La τ depende del tipo y grosor del material

14. Muchos materiales no transmiten radiación infrarroja, es decir, son impermeables a la radiación infrarroja de onda larga.

Capítulo 3

44

Es común encontrar mediciones realizadas sobre materiales que no son en realidad los

que se quieren medir sino los que están en la parte posterior. Esto ya que al tratar de

mantener la integridad de los materiales y la afectación por polvo, humedad o cualquier

otro agente que afecte el funcionamiento de los materiales. Es aquí donde la transmisión

de la radiación infrarroja es detectada por las cámaras termográficas y la medición puede

ser incorrecta aunque la transmisión del material que cubre al objeto a analizar sea

demasiado alta.

La radiación infrarroja registrada por la cámara termográfica consiste en:

1. La radiación emitida por el objeto medido;

2. La reflexión de la radiación ambiente

3. La transmisión de radiación del objeto medido.

El resultado de la suma de estos factores es siempre 1 (100%), esto es que la suma de

los factores (radiación, reflexión y transmisión) es igual a 1, como se muestra en la

Ecuación 3.2.

ε + ρ + τ = 1 EC. 3.2

Dado que en la práctica, la transmisión juega un papel despreciable, la variable τ se

puede omitir. En la Ecuación 3.3 se muestra que la suma de radiación más reflexión son

iguales a 1 ya que la transmisión es despreciada por la cámara termográfica:

ε + ρ =1 EC. 3.3

.

En cuanto a la termografía, esto quiere decir que a menor emisividad, mayor proporción

de radiación infrarroja es reflejada. Esto ocasiona una mayor dificultad en la toma de

mediciones precisas, por lo que se vuelve importante buscar la configuración correcta de

la temperatura reflejada. Es por eso que al existir una mayor emisividad del material a

medir, la cámara termográfica es más confiable ya que la reflexión es mucho menor.

La verificación del correcto ajuste de emisividad es particularmente crucial cuando hay

grandes diferencias de temperatura entre el objeto medido y el entorno. Un ajuste de la

emisividad demasiado bajo resulta en unas lecturas de temperatura demasiado bajas.

Capítulo 3

45

En el caso de que la temperatura del objeto medido sea inferior a la temperatura

ambiente;

1. Un ajuste de la emisividad demasiado alto resulta en unas lecturas de temperatura

demasiado bajas.

2. Un ajuste de la emisividad demasiado bajo resulta en unas lecturas de temperatura

demasiado elevadas

3.3.4. LA TEMPERATURA AMBIENTE

En muchas aplicaciones, la temperatura reflejada corresponde a la temperatura ambiente.

Ésta se puede medir, por ejemplo, con el termómetro convencional, siempre que haya una

gran diferencia de temperatura entre el objeto a medir y la del medio ambiente, es de vital

importancia ajustar la emisividad de forma correcta, ya que en el espacio donde se realice

la medición o prueba pueden existir otro tipo de materiales que emita de forma propia una

radiación mayor a la del objeto en análisis, si su temperatura es mayor a la temperatura

del objeto a medición, esto afectaría al medio ambiente y la capacidad de transmitir y

reflejar las ondas de radiación infrarroja de otros elementos externos [12].

3.3.5. RADIACIÓN

Todo objeto con temperatura superior al cero absoluto (0 Kelvin = -273.15 °C) emite

radiación infrarroja, por lo que especialmente los objetos con una gran diferencia de

temperatura con el objeto a medir pueden alterar la medición por infrarrojos como

resultado de su propia radiación. En estos casos, se deben evitar estas fuentes de

interferencia en la medida de lo posible.

Las características especiales de la termografía en exteriores son; la radiación infrarroja

emitida desde un cielo despejado, la radiación se encuentra entre los parámetros de

temperatura de -50 °C a -60 °C y la luz caliente del sol se refleja durante el día. El área

del cielo supera en mucho a la del sol, por lo que la temperatura reflejada en la

termografía en exteriores siempre se sitúa por debajo de 0 °C, incluso en un día soleado.

Los objetos almacenan calor como resultado de la absorción de los rayos del sol, lo que

afecta considerablemente a la temperatura de sus superficies, en algunos casos durante

horas después de la exposición al sol [12].

Capítulo 3

46

3.3.6. HUMEDAD AMBIENTE

La humedad ambiente relativa debe ser lo suficientemente baja para que no haya

condensación (neblina) en el aire, o vaho en el objeto a medir, en el filtro de protección o

incluso en el objetivo de la cámara. Si éste se ha empañado, parte de la radiación

infrarroja que llega a la cámara se pierde porque no puede penetrar a través del agua

presente en la lente. Una niebla espesa también afecta a la medición porque el rocío

presente en el canal de transmisión bloquea parte de la radiación infrarroja [12].

3.3.7. CORRIENTES DE AIRE

Cualquier flujo o corriente de aire en una sala afecta a la medición de temperatura con la

cámara termográfica. Como resultado del intercambio de calor (convección), el aire

cercano a la superficie tiene la misma temperatura que el objeto medido. Si hay corrientes

de aire, esta capa desaparece sustituida por otra cuya temperatura todavía no se ha

adaptado a la del objeto.

Por medio de la convección, el objeto medido desprende o absorbe calor hasta que la

temperatura de su superficie y la del aire se han igualado. El efecto del intercambio de

calor se incrementa cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre la superficie del

objeto a medir y la temperatura ambiente [12].

3.3.8. TÉCNICA POR INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA

Esta técnica sirve para detectar fallas y defectos que pudieran o se presentan en los

equipos, ésta inspección es realizada con cámaras que permiten un análisis profundo por

medio de imágenes infrarrojas que son captadas por las temperaturas elevadas que

presentan los equipos [12].

3.3.9. APLICACIONES DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA

Las aplicaciones de la termografía infrarroja son muy extensas, pues se utilizan en

diferentes áreas, en ingeniería eléctrica esta técnica es utilizada en todos los equipos que

generen calor. Mediante la inspección termográfica se puede verificar el deterioro de

equipos como; transformadores, motores, interruptores, cajas de conexión, para cualquier

equipo en subestaciones, etc.

Capítulo 3

47

3.3.10. VENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA

La falla puede encontrarse con facilidad sin que la persona que realiza la inspección tenga

contacto físico con el equipo fallado.

Se previenen fallas por medio de este tipo de técnicas, tomando medidas necesarias, con

esto se alarga el tiempo de vida de los equipos y se reducen gastos innecesarios en la

compra y reposición de equipos. En este proyecto se aborda la inspección y para poder

aplicarla se necesita saber cómo es que operan las cámaras termográficas.

3.3.11. FUNCIONAMIENTO DE LAS CÁMARAS TERMOGRÁFICAS EN

FORMA GENERAL

Las cámaras termográficas perciben la radiación que los cuerpos emanan, a su vez se

transforman en imágenes luminosas, estas radiaciones dependen directamente de la

temperatura. Las imágenes son visualizadas mediante una plantilla monocromática, tiene

un sensor que detecta la onda infrarroja en una cierta longitud.

Dependiendo de la cámara utilizada, los puntos calientes se presentan en las zonas que

llegan a los colores más claros o estrictamente al color blanco, en cambio los puntos fríos

se presentan en las zonas más obscuras o estrictamente en las de color negro, sin

embargo, estos colores no representan el nivel de radiación. Dentro de las cámaras

termográficas existen; de onda larga, onda corta, detectores infrarrojos y matriciales [12].

3.4. SIMULACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS RECUBRIMIENTOS

Previo a las mediciones de temperatura en los recubrimientos semiconductores se

llevaron a cabo simulaciones de campo eléctrico en la superficie de la bobina, en la zona

del recubrimiento semiconductor. Con estas simulaciones se busca identificar como se

distribuye tanto el campo eléctrico como el calor generado en condiciones ideales y

entonces compararlo con las mediciones de temperatura que se realizan con la cámara

infrarroja.

Capítulo 3

48

Para realizar las simulaciones se utilizó el programa COMSOL; que es un paquete basado

en el método del elemento finito. Conociendo la distribución del potencial, otros

parámetros como intensidad de campo eléctrico o calor generado pueden ser conocidos.

Para poder realizar la simulación, primero se diseño un modelo en dos dimensiones de un

corte axial de la geometría de la bobina a la salida de la ranura. La zona bajo análisis se

muestra en la figura 3.2, en este caso los elementos que se consideraron fueron;

1. Material Conductor de la Bobina de 13.8 kV

2. Placa del estator

3. Capa conductora

4. Recubrimiento Semiconductor

FIGURA 3.2 Modelado de la simulación, indicada con medidas aleatorias.

Con la geometría de la figura anterior, el paso siguiente consiste en especificar la tensión

a la cual fue sometida la bobina durante la prueba experimental, que en este caso la

tensión fue de 20 kVrms.

Para la cinta semiconductora se consideró un valor típico de conductividad de entre 1X10-

6 ó 1X10-7 S/m, mientras que para la conductividad del aire fue tomada como 1X10-12 S/m.

Para el material aislante de la bobina se consideró un valor de conductividad del mismo

orden que la del aire y una permitividad relativa de 4. Para el aire se tomó una

permitividad relativa de 1, y para el recubrimiento semiconductor de 5.

Capítulo 3

49

En el primer caso simulado fue considerando el recubrimiento conductor, y sin el

recubrimiento semiconductor. Lo anterior fue modelado solo para ser tomado como

referencia y compararlo con el caso en el cual se aplica el recubrimiento semiconductor.

En la figura 3.3 se muestra la trayectoria y el comportamiento de las líneas

equipotenciales al final de la cinta conductora, en la zona donde no existe pintura

conductora, se tienen líneas equipotenciales que se concentran con poco espacio entre

ellas, lo que indica un gradiente de potencial alto. Este alto campo eléctrico da lugar a la

presencia de descargas superficiales ocasionando el deterioro de los recubrimientos y

aislamientos de la bobina.

FIGURA 3.3 Simulación de distribución de líneas equipotenciales en una bobina sin cinta

semiconductora.

Capítulo 3

50

En la figura 3.4 se muestra la distribución de las líneas equipotenciales considerando

ambos recubrimientos y asignando un valor de conductividad o aproximado de la cinta

semiconductora. En este caso, durante la transición gradual entre el recubrimiento

conductor y semiconductor las líneas equipotenciales tienden a tener espacios mayores

de separación, esto quiere decir que el gradiente de potencial eléctrico disminuye con la

cinta semiconductora en una proporción considerable, cumpliendo con su objetivo

primordial que es la atenuación de campo eléctrico. Con esta reducción en el campo

eléctrico en la superficie de la bobina se reduce la probabilidad de que aparezcan

descargas superficiales que pudieran acortar la vida útil de las bobinas y de la máquina en

general.

FIGURA 3.4 Distribución de líneas equipotenciales en bobina con cinta semiconductora

Otra manera de visualizar el efecto de la cinta semiconductora se muestra en la figura 3.5,

en la cual se gráfica la tensión a lo largo de la superficie de la bobina, con origen en

donde termina la cinta conductora (zona del empalme). La línea mostrada en color rojo

representa la tensión desde el final de la cinta conductora si no existiera la cinta

semiconductora, mientras que la línea en color azul muestra el crecimiento de la tensión a

lo largo de la superficie de la bobina desde el final de la cinta conductora pero ahora con

cinta semiconductora.

Capítulo 3

51

Cuando no se utiliza cinta semiconductora (línea roja), la tensión aumenta de manera

brusca en una distancia corta generando un alto campo eléctrico. Lo anterior resultará

muy probablemente en la aparición de descargas superficiales en la superficie de la

bobina al término de la cinta conductora. Cuando se aplica la cinta semiconductora (línea

azul), se aprecia que el potencial se va incrementando gradualmente desde cero en la

cinta conductora hasta el valor de la tensión aplicada. Se aprecia un sobretiro de la

tensión algo común en los recubrimientos semiconductores en bobinas. Este crecimiento

gradual reduce el campo eléctrico y por lo tanto la posibilidad de descargas superficiales.

FIGURA 3.5 Simulación del Comportamiento del potencial eléctrico a lo largo de la superficie de

la bobina sin cinta semiconductora (línea en rojo) y con cinta semiconductora (línea en azul).

En los casos anteriores se muestra como el campo eléctrico es controlado por la cinta

semiconductora, pero como se mencionó anteriormente esto provoca la generación de

calor por efecto joule en la cinta. Para poder verificar la distribución de este calor

generado en la cinta semiconductora de la bobina es necesario considerar los bordes de

la bobina ya que es aquí donde el campo eléctrico puede ser mayor y por lo tanto con

mayor temperatura.Por lo anterior se requiere de simulaciones en tres dimensiones.

Debido a la simetría únicamente se consideró una cuarta parte de la bobina para este

estudio como se muestra en la figura 3.6. El grosor de la cinta semiconductora fue

considerada de 0.3 mm mientras que el grosor de aislamiento a tierra fue de 3 mm.

Capítulo 3

52

FIGURA 3.6 Simulación de la bobina mostrando la zona de estudio.

En la figura 3.7 se muestra un corte transversal de la geometría en tres dimensiones

utilizada para la simulación. El área de inspección en este caso será el recubrimiento

semiconductor (2) pues la mayor concentración de calor se presenta en esta zona,

principalmente en la cara lateral y superior de la bobina.

FIGURA 3.7 Geometría utilizada para la simulación de una bobina en dos dimensiones, (1) Aire, (2)

Recubrimiento semiconductor, (3) Aislante, (4) Conductor de la bobina.

Capítulo 3

53

Los resultados del calor generado en el recubrimiento semiconductor se muestran en la

figura 3.8, en ésta se observa el calentamiento resistivo que se presenta en la capa

semiconductora (área en color rojo), con un poco más de intensidad en la zona central y

en la esquina de la bobina.

FIGURA 3.8 Imagen en 3D del calor generado en el recubrimiento semiconductor.

Los resultados arrojados con esta simulación dan un indicio de que muy probablemente

las zonas de mayor temperatura se presentarán en las esquinas de las bobinas y en el

centro de las caras laterales. Esto se compara con los resultados arrojados por las

imágenes termográficas en el siguiente capítulo.

Capítulo 4

54

CAPÍTULO 4 INSPECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA.

4.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo se describe el funcionamiento de la cámara termográfica Flir SC 660 y el

programa Thermacam Resercher, también se presentan el desarrollo y los resultados

obtenidos durante las pruebas en los recubrimientos semiconductores de bobinas de

media tensión.

Para el análisis se tomaron en cuenta tres imágenes, una imagen real de la bobina, otra

termográfica y una imagen que se tomó calcando el recubrimiento semiconductor con

hojas blancas y lápiz para poder compararlas con las otras dos y tener una mejor

referencia de la localización de los puntos calientes en los recubrimientos. Estas

imágenes se realizaron en los cuatro lados de la bobina.

4.2 CÁMARA TERMOGRÁFICA Y EL PROGRAMA THERMACAM

RESEARCHER®

El sistema de medición de temperatura utilizado en este trabajo consiste en un cámara

infrarroja modelo FLIR-SC660 que tiene un espectro de emisividad entre 7.5 y 13 μm y

que despliega la imagen de temperatura en una matriz de 640 x 480 píxeles. La

sensibilidad del detector es <30 mK a una temperatura de 30 ° C y con una exactitud de ±

1 ° C ó ± 1% de la lectura. La emisividad utilizada para recubrimientos semiconductores

SG fue de 0,92.

El software de adquisición, ThermaCAM Researcher ™, permite a los distintos tipos de

post-procesamiento de la distribución de la temperatura en la imagen infrarroja.

Thermacam es un programa totalmente dirigido al estudio de la termografía infrarroja, ya

que facilita el análisis de objetos, aparatos, equipos, etc., en forma de imagen o

videograbación, a su vez éstas permiten mostrar el comportamiento del calor mediante

gráficas, dependiendo de la información que se requiera, aunque la más común, es la

gráfica de tiempo contra temperatura. Los datos de la versión utilizada se muestran en la

figura 4.1.

La creación de puntos, cuadros, líneas y polígonos creados a la forma requerida por el

usuario, ayudan al fácil manejo en conjunto con la paleta de temperatura ubicada del lado

derecho de la imagen o videograbación que contiene una escala de temperatura para la

comparación del color de la imagen, tomando como referencia los colores y determinar la

temperatura del objeto a medir.

Capítulo 4

55

Esta paleta de temperatura tiene la facilidad de cambiar la tonalidad y colores para que

ayude al usuario a tener un mayor contraste de temperatura y hacer el análisis de forma

más fácil.

Además de conectar cualquier cámara termográfica de la marca Flyr System para su

análisis en tiempo real, este programa ofrece la versatilidad de hacer videograbaciones de

sesiones que pueden ser usadas para el análisis en diferentes ocasiones, sin necesidad

de energizar la prueba realizada o la situación a analizar, todo esto dependiendo de qué

cámara se esté utilizando.

Parte fundamental de éste y cualquier programa son las opciones, en este caso son muy

importantes, ya que para obtener una buena medición y por ende poder realizar un buen

análisis es necesario tener en cuenta condiciones ambientales, distancias, condiciones de

el material sometido a la medición.

Dentro de estas condiciones se encuentra la emisividad, este parámetro es sumamente

importante ya que es la capacidad del material de emitir las radiaciones infrarrojas, vitales

para la medición de la temperatura. La transmisión que como su nombre lo dice es la

transmisión de las ondas de radiación infrarrojas que produce el tipo de material,

temperatura ambiente a la que se realiza la medición, la distancia a la que es colocada la

cámara termográfica, y las condiciones de humedad ambiental en el momento de la

realización de la prueba

FIGURA 4.1. Imagen de presentación para el programa Thermacam Researcher para análisis termográfico.

En este programa se pueden cargar archivos realizados con la cámara infrarroja, ya sea

en forma de fotografías o videograbación, para posteriormente crear gráficas de zonas

específicas o en función del tiempo de duración de la prueba realizada, como fue utilizado

en esta tesis.

Capítulo 4

56

4.3 DESARROLLO DEL ANÁLISIS EXPERIMENTAL

4.3.1. TENSIÓN APLICADA Y EQUIPOS UTILIZADOS

La tensión para pruebas de envejecimiento acelerado en bobinas se determina en base a

la tensión nominal a la cual trabajará la bobina, esta tensión nominal es multiplicada por

3.75 o 4 veces [4]. Sin embargo, en esta tesis, la tensión de prueba fue elegida tomando

en cuenta que las bobinas que se analizaron pueden ser usadas para otros estudios, por

lo tanto la tensión a la cual fueron expuestas es menor que la tensión recomendada para

pruebas de aguante (20 kV como máximo). Las bobinas fueron energizadas de la manera

siguiente:

1. Se pone en corto las puntas de la bobina y se conectan al transformador de alta tensión (TR-250 a 50kV).

2. Se colocan anillos equipotenciales en las puntas de las bobinas para evitar la descarga corona por el efecto punta que se presenta al energizar.

3. Para simular la ranura del estator se colocan 2 placas metálicas en los costados de las bobinas soportadas por prensas troqueladas.

Las dimensiones de la bobina conformada de 13.8 kV se muestran en la Figura 4.2,

mientras que en la Figura 4.3 se presenta el transformador de elevador utilizado para

energizar la bobina junto con los datos de placa.

FIGURA 4.2 Dimensiones de la bobina a analizar. [11]

Capítulo 4

57

FIGURA 4.3 Transformador de alta tensión y datos de placa.

La tensión del lado de alta es controlada por medio de un variador de tensión, figura 4.4,

conectado en el lado de baja tensión. En todas las pruebas la tensión se fue

incrementando gradualmente desde cero hasta la tensión de prueba.

FIGURA 4.4 Variador de tensión.

Cada bobina está diseñada para trabajar a una tensión nominal de 13.8 kV, pero cabe

mencionar que una vez instaladas en el estator de la máquina, éstas se conectan en

grupos en serie y cada sección a una fase diferente. Lo anterior implica que solo la

primera bobina (uno de sus extremos) es la que está energizada ala potencia nominal.

Sin embargo todas las bobinas se prueban a la misma tensión pues cualquiera de ellas

puede ser la primera del grupo ya instalada en el estator.

Capítulo 4

58

La tensión nominal de fase a tierra de las bobinas en su valor eficaz está dada por:

√ EC. 4.1

Con 13.8 kV de tensión de línea para este caso, por lo que:

√

La relación de transformación para el TR de alta tensión fue determinada mediante

mediciones de potencial en ambos lados. Para el lado de alta tensión se utilizó una punta

atenuadora de alta tensión obteniendo una relación de transformación promedio de

;

La tabla 4.1 muestra los valores de tensión utilizados durante el desarrollo de las pruebas

para determinar la relación de transformación.

Tabla 4.1. Valores Nominales del Transformador a los cuales puede realizarse el análisis

Valores en alta tensión (kV) Lado primario (V)

8 33.32

10 41.26

12.5 52.05

20 83.33

4.3.2 PREPARACIÓN DE LAS BOBINAS INSPECCIONADAS.

La sección de cinta semiconductora en las bobinas probadas viene cubierta con una

cinta de algodón blanca que es utilizada como protección para evitar el daño en los

recubrimientos y la bobina en general. En este caso esta cinta se retira para realizar

un mejor análisis de las cintas semiconductoras, quedando la bobina con la cinta

semiconductora expuesta como se muestra en la Figura 4.5.

Capítulo 4

59

FIGURA 4.5 Muestra de la bobina antes de la inspección, el circulo rojo marca el área del empalme con la cinta conductora (Bobina 1 Lado 4).

4.3.3. PROCESO PARA LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA.

El procedimiento seguido para el análisis de cada recubrimiento consistió en los

siguientes pasos:

1. Se tomó una imagen digital de la zona del recubrimiento semiconductor, como la que se muestra en la figura 4.5.

2. Se captaron las imágenes termográficas en forma de película desde el inicio de la energización hasta alcanzar la tensión máxima, la cual se mantuvo por unos cuantos minutos, la figura 4.6 muestra una toma infrarroja a tensión máxima.

Figura 4.6 En la imagen termográfica se muestra el àrea de inspección encerrada en un circulo

rojo (Bobina 1 Lado 4) .

Capítulo 4

60

Figura 4.7 Imagen calca del empalme (cinta semiconductora y conductora de la Bobina 1 Lado 4)

3. Se colocó una hoja de papel sobre las bobinas exactamente en el área donde se

encuentra el empalme, y suavemente se colorea con lápiz para no causar daños en el

mismo, con lo cual se obtiene el patrón del encintado como se muestra en la Figura 4.7.

4. Se realizó una comparación de las tres imágenes, la digital, la infrarroja y la que se

tomó en calca, buscando correlacionar la localización de los puntos calientes con la

distribución del encintado.

A continuación se muestran los resultados de la inspección a 16 extremos con

recubrimiento semiconductor.

Capítulo 4

61

4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES

En esta sección se muestran los resultados obtenidos, haciendo la comparación de las

tres imágenes; la termográfica, la fotografía óptica digital y la imagen escaneada del

proceso de calcar la cinta semiconductora. Con todo esto se buscó encontrar algún indicio

que corresponda con la presencia de calor en la zona del empalme, que es donde la cinta

semiconductora y la pintura conductora convergen. Esta área es la primordial y medular

de la tesis pues es donde se realizó todo el trabajo y donde se originan descargas

parciales que llegan a perforar los sistemas de aislamiento.

Una distribución uniforme de la temperatura en el recubrimiento semiconductor sería lo

ideal, sin embargo, de acuerdo a las simulaciones, los puntos calientes pueden aparecer

en las esquinas por el efecto de borde. En esta sección se muestran los resultados

experimentales obtenidos del análisis de los cuatro lados de cada una de las bobinas,

teniendo un total de dieciséis lados.

En las siguientes figuras, para cada uno de los recubrimientos, se muestra la imagen

termográfica, la imagen digital y la imagen calcada. Las imágenes en calca dan una

buena referencia de la disposición del encintado para poder así relacionarla con las zonas

de mayor temperatura observadas con la toma infrarroja. Durante el proceso se observó

que en la parte media y los extremos de la bobina existe elevada temperatura. En la

imagen en calca se muestran con una línea roja el inicio de la cinta semiconductora y con

una línea verde el fin de la cinta conductora, es decir, el área entre estas dos líneas es el

área de empalme. En todas las imágenes infrarrojas se observó que la disipación de calor

se presenta después de la línea verde, es decir, al terminar el empalme y sobre la cinta

semiconductora. Para cada uno de los recubrimientos se comparan y analizan las

imágenes.

Capítulo 4

62

Figura 4.8 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 1 lado 1

DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR

DE BOBINA

B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME

C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME

IMAGEN A)

MEDICIÓN DE TEMPERATUR:

MÁXIMA (°C) 36.7

MÍNIMA(°C) 22.8

Inicio de la cinta semiconductora

Fin de la cinta conductora

IMAGEN B)

COMENTARIOS:

Las zonas propensas a sufrir daños se observan en la parte media y baja de este lado de la bobina, apreciadas en un color blanco en la imagen C, y localizadas a la izquierda de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

63

Figura 4.9 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 1 lado2


DE BOBINA



IMAGEN A)

MAXIMA (°C) 36.9

MINIMA(°C) 22.8

MEDICIÓN DE TEMPERATURA:



IMAGEN B)

COMENTARIOS:

Las zonas propensas a sufrir daños son la parte media, superior e inferior de la bobina, como se muestra en la imagen C en color blanco, y localizadas a la derecha de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora. .

IMAGEN C)

Capítulo 4

64



DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 32.2

MINIMA(°C) 23.2



IMAGEN B)

COMENTARIOS:

La mayor concentración de calor en este caso es mostrada en la parte media, sin embargo, la superior, también puede verse afectada, la zona inferior muestra poco calentamiento. Las zonas de mayor calor están localizadas a la derecha de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

65



DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 31.7

MINIMA(°C) 23.2



IMAGEN B)

COMENTARIOS: En este caso se observa nuevamente que la zona que es menos propensa a sufrir calentamiento y daño es la esquina y al centro, y localizadas a la izquierda de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

66

Figura 4. 12 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 2 lado1


DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 37.2

MINIMA(°C) 23.5



IMAGEN B)

COMENTARIOS: En la imagen C se observan cuatro puntos de falla uno en la parte superior, dos en la media y uno en la inferior, y localizadas a la izquierda de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

67



DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 34.3

MINIMA(°C) 24.5



IMAGEN B)

COMENTARIOS:

El mayor calentamiento y por ende la zona de mayor falla es la parte inferior de la bobina y al centro. Localizadas a la derecha de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

68



DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 38.2

MINIMA(°C) 24.-3



IMAGEN B)

COMENTARIOS:

Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

69



DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 38.2

MINIMA(°C) 24.3



IMAGEN B)

COMENTARIOS:


IMAGEN C)

Capítulo 4

70


DESCRIPCION DE IMAGEN: E) ENCINTADO SEMICONDUCTOR

DE BOBINA

F) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME

G) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME

IMAGEN A)

MAXIMA (°C) 34.3

MINIMA(°C) 24.5




IMAGEN B)

COMENTARIOS:


IMAGEN C)

Capítulo 4

71


DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR

DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 35.4

MINIMA(°C) 24.1



IMAGEN B)

COMENTARIOS: Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

72

Figura 4.18 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina3 lado 3


DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 24.9

MINIMA(°C) 47.2



IMAGEN B)

COMENTARIOS:


IMAGEN C)

Capítulo 4

73


DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: E) ENCINTADO SEMICONDUCTOR

DE BOBINA

F) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME

G) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME

IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 40.4

MINIMA(°C) 26.0



IMAGEN B)

COMENTARIOS:

Como puede apreciarse en las imágenes B y C, nuevamente los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

74


DESCRIPCIOÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR

DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 37.8

MINIMA(°C) 23.1



IMAGEN B)

COMENTARIOS:

Como puede apreciarse en las imágenes B y C,

nuevamente los puntos de mayor temperatura

están localizados después del empalme sobre la

cinta semiconductora.

IMAGEN C)

Capítulo 4

75



DE BOBINA


C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DE EMPALME

IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 47.5

MINIMA(°C) 23.3



IMAGEN B)

COMENTARIOS:


IMAGEN C)

Capítulo 4

76



DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 30.7

MINIMA(°C) 23.7



IMAGEN B)

COMENTARIOS:


IMAGEN C)

Capítulo 4

77



DE BOBINA



IMAGEN A)


MAXIMA (°C) 35.1

MINIMA(°C) 23.8



IMAGEN B)

COMENTARIOS:


IMAGEN C)

Capítulo 4

78

4.5.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS EXPERIMENTALES.

En relación a los resultados de las pruebas que se realizaron se observó que regularmente las áreas donde se presenta calentamiento, son en el área donde termina el recubrimiento conductor e inicia el semiconductor (empalme), o bien después de la capa semiconductora. Mediante las imágenes en forma de calca se verificó si las zonas de alto calor tenían relación con la disposición del encintado, lo cual no fue concluyente ya que no se observó algo que indicara que la posición de la cinta tuviera que ver con los puntos calientes. Uno de los resultados más interesantes es el que los puntos calientes que se presentaron en la mayoría de las bobinas pueden aparecer en lugares distintos a las esquinas de la bobina. Como se mostró en las simulaciones, las esquinas de la bobina pueden dar origen a mayor campo eléctrico y por lo tanto a mayor calor en la cinta semiconductora en estos puntos, pero los puntos calientes en los costados se considera no deberían de aparecer. Todas las bobinas se inspeccionaron para verificar si los puntos calientes tenían como origen imperfecciones en la zona del empalme, pero en ninguna de ellas se observó algún defecto que pueda ocasionarlos. Lo anterior sugiere que la causa pudiera relacionarse con la disposición interna de los conductores en la bobina o con cavidades entre conductor y aislamiento..

Capítulo 5

79

CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN

5.1 INTRODUCCIÓN.

En este capítulo se analizan los resultados de las pruebas de termografía. En primer

lugar se discute sobre la distribución de calor que se observa en la mayoría de los casos y

si esta coincide con lo obtenido en la simulaciones. Se analiza si es posible determinar

algún patrón en los puntos de mayor temperatura en base a como está aplicada la cinta

semiconductora.

Por otra parte con la experiencia obtenida durante las pruebas, se hacen

recomendaciones para trabajos futuros.

5.2 CONCLUSIONES

Para realizar el análisis de la inspección termográfica fue necesario realizar una

simulación del calor generado en el recubrimiento semiconductor. Esta simulación fue

hecha en un paquete comercial basado en el método del elemento finito. De los

resultados obtenidos en la simulación se puede establecer lo siguiente:

Se genera calor en el recubrimiento semiconductor como consecuencia de la atenuación del campo eléctrico. Esto es básicamente por efecto Joule en el material. En condiciones normales de operación, una elevación de no más de unos cuantos grados centígrados puede considerarse normal y no debe de representar problema.

Considerando en la simulación una bobina con grosor del aislamiento a tierra uniforme, se muestra que el calor generado en las esquinas y al centro de las caras laterales de la bobina es mayor. En el caso de las esquinas, esto se atribuye al efecto de borde que en esa zona pudiera producir un campo eléctrico mayor y por lo tanto el recubrimiento semiconductor conduce una mayor corriente. En el caso de la zona de mayor calor en el costado de la bobina se observa que está casi uniformemente distribuida alrededor del centro del costado. Estos patrones de distribución de temperatura puede tomarse como referencia en las pruebas experimentales para identificar desviaciones que pudieran indicar problemas en el recubrimiento.

En las simulaciones se consideró un recubrimiento semiconductor con un grosor uniforme, algo que puede no ser real ya que como se muestra en las imágenes en calca del encintado, existen en algunos casos un traslape que no es exactamente del 50 % del ancho de la cinta.

Capítulo 5

80

Durante las pruebas experimentales se observó que los puntos calientes se presentan en

las esquinas de las bobinas, coincidiendo con la simulación. Sin embargo se observaron

puntos de alta temperatura en la zona lateral de la bobina, algo que no se esperaba de

acuerdo a las simulaciones. Inicialmente estos puntos de alta temperatura se

consideraron debidos a imperfecciones en la aplicación de la cinta o a daños en la

superficie de esta. Sin embargo, tras una inspección ocular y verificar la disposición de la

cinta (de la imagen en calca) no se pudo verificar que alguna de estas sean la razón de

los puntos de alta temperatura.

Se considera que los puntos de alta temperatura son indicio de que la cinta

semiconductora no tiene un valor de conductividad adecuado por lo que se podría pensar

en dos posibles formas de corregir este problema:

1.- Utilizar una cinta con conductividad mayor. En el mercado existen cintas con

diferentes grados de conductividad, por lo que se podría tratar con una de mayor

conductividad.

2.- Aplicar una segunda capa de cinta en la primera mitad del recubrimiento. Cabe

recalcar que todas las bobinas que fueron utilizadas en este trabajo solo cuentan con una

capa de cinta semiconductora, al aplicar dos capas se podría mejorar el control del campo

eléctrico en esta zona.

Una de las principales aportaciones de este trabajo fue demostrar como los perfiles de

temperatura pueden utilizarse para identificar potenciales problemas en los recubrimientos

semiconductores.

5.3 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS

En base a lo observado durante el desarrollo de este trabajo se recomiendan dos posibles

líneas para trabajo futuro:

1.- Modelar el interior de la bobina (la forma de las espiras) para ver si existe alguna

relación con los puntos de alta temperatura en los costados de la bobina.

2.- Correlacionar la aparición de los puntos de alta temperatura con el inicio de descargas

parciales en la bobina.

Capítulo 6

81

CAPÍTULO 6 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA.

La parte económica en toda la industria y el entorno laboral juega un papel importante

puesto que de esto depende el funcionamiento y eficiencia de la misma. En cada trabajo

por realizar es importante tomar en cuenta, el costo de reparación o sustitución del (los)

equipo(s) o bien del (los) servició(s), el tiempo en el cual se debe efectuar considerando

las pérdidas y/o ganancias que esto pudiera generar, y finalmente se deberá considerar la

eficiencia con la cual se operará antes y después del (los) trabajo(s) o servicio(s).

Como bien se ha mencionado en los capítulos anteriores la inspección termográfica es un

medio muy eficiente para la determinación de fallas en los sistemas de aislamiento y una

forma de prevención que permite controlar y detectar a tiempo cualquier anomalía sin

generar gastos excesivos e innecesarios.

Es bien sabido que las máquinas eléctricas mientras más dimensión tengan, su costo será

mayor y por ende su reparación será costosa y en casos extremos, el paro de las mismas

o ineficiencia representarán pérdidas elevadas. Una de las ventajas de la inspección

termográfica es que el estudio se puede llevar a cabo en cualquier momento y sin la

necesidad de un paro del sistema o maquinaria, y sobre todo es menos costoso que la

reparación o sustitución de los elementos dañados.

En este caso para poder justificar lo antes mencionado se realizó una cotización sobre

Inspección termográfica a recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión,

mostrando así que ésta representa un gasto considerable como forma de prevención, sin

embargo, si tan solo se tuviera que sustituir una sola bobina, el costo de ésta sería de

siete a ocho veces mayor sin considerar aún el paro de la maquinaria para la sustitución.

Capítulo 6

82

TABLA 6.1 Cotización del análisis por medio de termografía

COTIZACIÓN AT’N: A QUIEN CORRESPONDA

En base al estudio realizado, se presenta el siguiente presupuesto referente a:

INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA A RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN

PART CANT UNID D E S C R I P C I O N P.U. TOTAL

1

1

Serv.

Inspección termografíca a recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión

Incluye:

- Una hora de Inspección termografíca a recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión

- Mano de obra para

realizar el servicio

$3,625.00 $3,625.00

PRECIO TOTAL: $3,625.00

MÁS EL 16 % DE IVA

NOTAS

Anticipo del 60% y saldo contra entrega

Tiempo de Entrega: Servicio 1 Jornada laboral, Reporte Fotográfico: 1 semana

A T E N T A M E N T E

Carlos Alberto Pérez Lara Maribel Zamora Serrano

83

Referencias

[1] Manes Fernández Cabanas, Manuel García Melero, Gonzalo Alonso Orcajo, José

Manuel Cano Rodríguez, Juan Solares Sariego, “Técnicas Para El Mantenimiento y

Diagnostico de Máquinas Eléctricas Rotativas”, Barcelona, MACOMBO, 2000, pag de

consulta 594.

[2] Jiménez Moreno Graciano, Contribución Al Estudio Del Calentamiento De Las Máquinas Eléctricas Rotativas Mediante El Método De Los elementos Finitos: Explicación de la Máquina de Inducción, Universidad de Castilla – La Mancha, 1995.

[3] Jorge Guillermo Ruano, Guía Práctica de Termografía para el Curso de Montaje de Equipo, Tesis de Licenciatura Universidad de San Carolos de Guatemala. Enero de 2005. [4] G. C. Stone, I.M. Culbert, B. A. Lloyd,Electrical “insulation for Rotating Machines-Desing, Evaluation, Aging, Testing and Repair, Wiley” – IEEE Press, 2004.

[5] F. P. Espino-Cortés, E. A. Cherney, S. Jayaram, “Impact of Inverter Drives

Employing Fast-Switching Devices on Form-Wound AC Machine Stator Coil Stress

Grading”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 23, Num. 1, pp.29-35, 2007.

[6] F. TIM EMERY, “The Application of Conductive and Stress Grading Tapes to

Vacuum Pressure Impregnated, High Voltage Stator Coils”, IEEE Electrical Insulation

Magazine, Vol. 12, Num. 4, pag. 15-22, Julio-Agosto 1996.

[7] N. Frost, Conley, D.J, “Fundamentals of Semi-Conductive Systems for High

Voltage Stress Grading”, Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing

Expo, pag. 89-92, Oct. 2005.

[8] J A Allison, Von Roll Isola, “Understanding the need for Anti-corona materials in

High Voltage Rotating Machines”, Proceedings of The 6th lntemational Conference on

Properties and Applications of Dielectric Materials, Xi'an China, vol.2, pag. 860 – 863,

Junio 2000.

[9] G. C. Stone, E. A. Boulter, Ian Culbert, Hussein Dhirani, “Electrical Insulation for

Rotating Machines”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Power Engineering, Vol. 20,

Num. 3, Junio 2004.

[10] Juan Carlos Ortiz Ramírez, “Pruebas eléctricas para el diagnostico del sistema de

aislamiento a tierra a bobinas de motores de media tensión”, [Tesis] México D.F. 2009.

[11] Henry Gómez, “Termografía Guía de Bolsillo, teoría, aplicación práctica, consejos y trucos”, Testo AG, Septiembre 2008.

[12] IEC Publication 85, “Recommendations for classification of materials for the insulation of electrical machinery and apparatus in relation to their thermal stability in service”, 1957.

[13] Carlos Pórtela, “Sobretensiones y coordinación del aislamiento”,Vol 1, Brasil, Reverté, 1983.

ANEXO A

84

I. ANEXO A: Inspecciones realizadas en un tiempo de 3 minutos

La gráfica de temperatura durante toda la prueba, nos muestra el tiempo en que la bobina

adquiere una estabilidad en su temperatura, aunque la forma de aumentar la tensión en la

bobina fue por medio de un reóstato, en forma gradual y no fue mayor a 30 segundos el

tiempo en el que se elevó la tensión hasta el nivel de prueba. A continuación de la Figura

A.1 a la Figura A.16 se muestran las gráficas del comportamiento de la temperatura

durante la inspección termográfica realizada en un tiempo de 3 minutos.

Figura A.1 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica realizada en un tiempo de 3 minutos, bobina 1 lado 1.

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

85

Figura A.2 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica

realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 1 lado 2.

VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

86



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

87



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

88



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

89



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

90



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

91



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

92



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

93



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

94



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

95



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

96



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

97



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

98



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO A

99



VALOR MÁXIMO

VALOR MÁXIMO

VALOR MÍNIMO

VALOR MÍNIMO

ANEXO B

100

II. ANEXO B: Funcionamiento de Researcher® Para iniciar la configuración del programa primero se tiene que conectar la cámara a la computadora por medio del cable firewire el cual es el que transmite la información. Teniendo instalado el programa ThermaCam Researcher que solo es compatible para el sistema operativo Windows, desde XP hasta Windows 7. Se inicia y de manera automática pide que el usuario elija el tipo de cámara que utilizará, desplegando una lista de cámaras que maneja la marca de Flyr System. Ver figura B.1

Figura B.1 Presentación ThermaCam Researcher.®

Una vez que se eligió la cámara a utilizar, se inicia su configuración dependiendo de la opción en la que se va utiliza, es decir para filmar un video o para la simple captura de imágenes. En cualquiera de las opciones lo fundamental es configurar la emisividad, distancia, temperatura ambiente. Esto se muestra en las imágenes de la figura B.2

Figura B.2 Ventanas de propiedades 1.

Estos aspectos son fundamentales para que se pueda hacer una medición correcta,

esto ya fue explicado en el capítulo tres para una mejor comprensión. Así como el uso del Sistema Internacional de Medidas, pudiendo usar diferentes medidas para facilitar el uso de cada persona o país en el que se use. Ver figura B.3

ANEXO B

101

Figura B.3 Ventanas de Propiedades 2

Otra opción indispensable es el zoom ya que es aquí donde se modifica los acercamientos hacia la parte que se va a analizar pudiendo identificar las zonas donde existe mayor presencia de calor, esta opción permite modificar el acercamiento de forma gradual o de la forma más conveniente para el usuario. Una vez modificada la configuración se da inicio en la pantalla donde se puede abrir la imagen o la videograbación que ya fue guardada, como se muestra en la siguiente imagen. Ver figura B.4

Figura B.4 Pestaña para abrir archivos. Cuando se inicia la opción de abrir imagen se abre un cuadro de diálogo que de forma automática indica la dirección de la carpeta en donde se guardaron las imágenes, una vez detectado esto, el usuario puede elegir la o las imágenes que desea abrir, de esta forma el programa agrupa de forma automática la captura de cada imagen que se tomó o en este caso se agrupan las videograbaciones. Ver figura B.5

ANEXO B

102

Figura B.5 Ubicación de Archivos dentro de la computadora.

Ya teniendo abierto el archivo donde se va a trabajar, ahora se procede a la elaboración del análisis con el programa. Del lado izquierdo de la pantalla hay una barra de iconos que permiten crear formas, formulas, puntos y un puntero con el cual se facilita al usuario la determinación de la temperatura exacta en algún punto de la imagen. Estos iconos son indispensables, ya que gracias a las figuras formadas por los puntos dentro de las imágenes infrarrojas, es posible generar gráficas de temperatura necesarias para la realización de un análisis más precioso. Ver figura B.6.

Figura B.6 Pestaña para realizar análisis

ANEXO B

103

Una vez que se realizó el análisis y se quiere presentar la imagen infrarroja generada por el programa Thermacam Researcher, es necesario guardar la imagen para poder ser utilizada en algún otro momento. Esto se logra seleccionando en el icono de Imagen que se encuentra en la parte superior de la ventana del programa, una vez hecho esto se busca la opción;”save” con la cual el programa salvará la imagen. Ver figura B.7

Figura B.7 Cuadro para guardar el análisis,

Una vez hecho lo anterior el programa desplegará una nueva ventana, la cual nos indicará la ruta donde el archivo generado por el programa será guardado. Es importante saber que en la parte inferior de la ventana hay la opción de elegir el formato en el cual la imagen será generada, si se elige la opción que se señala en la imagen de abajo, el archivo tendrá una paleta de colores así como la escala de temperaturas en el lado derecho de la imagen, ver figura B.8

Figura B.8 Vista final del análisis.

INSTITUTO POLITÉCNICO...

Documents

Transcript of INSTITUTO POLITÉCNICO...