9 de noviembre 2022 + Motores, electricidad
Créditos: Boletín Informativo de Megger
motores eléctricos, la realización de pruebas en sus motores críticos a tensiones muy por
encima de los niveles indicados en las placas de identificación suele ser una preocupación. Ciertamente, no parece correcto probar un motor de 460 V a 2000 V o un motor de 4160 V a 9320 V. Después de todo, por algo el motor está clasificado a una tensión inferior, ¿verdad?
Algunos de estos profesionales, incluso, pueden haber tenido la experiencia de que un motor fallara después de someterlo a una prueba de Hipot o de Impulso a estas tensiones elevadas. Estos sucesos pueden producir aún más duda al momento de utilizar pruebas de alta tensión como técnica de evaluación en servicio.
En primer lugar, examinemos los esfuerzos operativos que deben soportar los sistemas de
aislamiento del motor, para, a continuación, proporcionarle una descripción de la naturaleza del deterioro y la falla del aislamiento, así como una descripción general de las medidas de seguridad diseñadas en los equipos modernos de pruebas de alta tensión, con el fin de que los operadores de los equipos puedan sentirse más cómodos cuando apliquen estos métodos de prueba.
La importancia de las especificaciones de la placa de identificación
De igual forma, una condición de baja tensión dará como resultado flujos de corriente superiores a lo normal por una cantidad determinada de potencia entregada en el eje. Esto también producirá un calentamiento excesivo y la posterior degradación del aislamiento.
Estas situaciones son tan perjudiciales para el sistema de aislamiento como una condición de sobrecarga, debido al esfuerzo térmico adicional exigido en los devanados del motor.
Por estas razones, es fundamental que el motor funcione cerca del nivel de tensión indicado en la placa de identificación.
“Las investigaciones han demostrado que los niveles de tensión inducidos en los devanados del motor pueden alcanzar hasta cuatro veces los niveles de tensión nominales del circuito”.
Interpretación de la tensión indicada en la placa de identificación del motor
Es importante saber que la tensión indicada en la placa de identificación del motor no se refiere a su clasificación de tensión de aislamiento. La clasificación de tensión de aislamiento, en realidad, se basa en su voltaje de ruptura.
El voltaje de ruptura del aislamiento es la tensión por encima de la cual el material aislante se rompe eléctricamente. A su voltaje de ruptura, el aislamiento ya no puede soportar el esfuerzo de tensión que lo atraviesa, y la resistencia disminuirá a cero. Como consecuencia, el material aislante permitirá que una corriente significativa lo atraviese, causando que este falle.
El voltaje de ruptura es una clasificación independiente del material aislante y no está asociado con la clasificación de la placa del motor. Cuando un motor está diseñado para una tensión operativa específica, el aislamiento está diseñado para soportar una tensión significativamente mayor que la tensión nominal del circuito.
Existen varias razones para esto, pero la más importante es que el esfuerzo de tensión exigido en los devanados durante la apertura de contacto puede alcanzar hasta cuatro veces la tensión aplicada del circuito. Si los motores solo estuvieran aislados para soportar la tensión indicada en la placa de identificación, fallarían casi tan pronto como se pusieran en servicio.
Voltaje de ruptura del aislamiento
Durante el ciclo de vida de funcionamiento del motor, este se expone a diversos factores ambientales, que incluyen la fricción mecánica, la exposición a sustancias químicas y el esfuerzo térmico. Estos factores estresantes deterioran el material aislante con el tiempo. La tasa de esta degradación depende de la intensidad de estos factores del entorno, el principal de los cuales es el esfuerzo térmico.
Una vez que el voltaje de ruptura del aislamiento del motor cae por debajo del nivel de esfuerzo de tensión máximo indicado en la figura 2, el motor se encuentra en sus etapas finales de vida útil. En este punto, el motor ha consumido la mayor parte de la vida útil de su aislamiento, y se debe programar su reemplazo tan pronto como sea posible.
Importancia de las pruebas del motor a alta tensión
La capacidad de determinar el estado del aislamiento y su capacidad para soportar los esfuerzos de tensión causados por la operación normal es fundamental para definir su confiabilidad. Es por eso que es tan importante realizar pruebas de alta tensión. Poder determinar que un motor ha entrado en la etapa final de su vida útil es la clave de un programa eficaz de confiabilidad de motores eléctricos. Sin esta prueba predictiva, realizando solo pruebas de baja tensión a ciegas, la falla del motor se presentará sin previo aviso.
“Una prueba también puede mostrar una respuesta de corriente no lineal, lo que indica que el aislamiento está llegando al final de su vida útil”
Prueba de resistencia de aislamiento
El sistema de aislamiento del motor cuenta con dos barreras principales que se deben considerar: el aislamiento a tierra y las capas de aislamiento entre espiras. Cuando se realizan pruebas en el aislamiento, se comienza con una serie de pruebas de aislamiento a tierra de CC. La primera de estas es la prueba de resistencia de aislamiento.
Esta es una prueba de un minuto que permite cuantificar el valor de la resistencia del aislamiento y se realiza cerca de la tensión indicada en la placa de identificación o por debajo de dicha tensión.
Las pruebas de resistencia de aislamiento se describen en la norma 43 del Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (IEEE, del inglés Institute of Electrical and Electronics Engineers). Esta es una prueba nominal y no está diseñada para forzar el aislamiento de ninguna manera. En el caso de motores con mayor tensión, esta prueba se realiza con tensiones inferiores a la indicada en la placa de identificación. Su propósito es medir la corriente de fuga a un nivel de tensión de CC no estresante, indicando el valor de la resistencia del aislamiento a través de cálculos (ley de Ohm, R = V/I). Esto es útil en terreno como indicador de la contaminación y los efectos de la humedad en el circuito del motor.
Esta prueba se puede extender por hasta 10 minutos para evaluar más a fondo la contaminación, así como la humedad y, en el caso de devanados secos limpios, la capacidad del aislamiento del motor para polarizarse, que es una indicación de la antigüedad y el deterioro del aislamiento.
Pruebas de Hipot
por la norma IEEE 95 y se presenta en una variedad de formas. El más eficaz de estos métodos es la prueba de Hipot en escalón. Esta prueba es similar a una prueba de resistencia de aislamiento, pero aumenta gradualmente la tensión de prueba en escalones para evaluar el cambio resultante en la corriente de fuga. La tensión de prueba final recomendada para una prueba de escalón de CC es 2X la tensión de línea + 1000 V, con, al menos, cinco escalones en el camino.
por unidad, tal como se muestra en la tabla de la figura 3.
Si la resistencia es estable en cada uno de los escalones, se puede garantizar que el aislamiento a tierra es adecuado para un servicio confiable y continuo. Sin embargo, la prueba puede fallar debido a una condición de sobrecorriente o de formación de arco. Esto indicaría exactamente dónde se encuentra el voltaje de ruptura del aislamiento con respecto a la tensión del circuito. Esto da una indicación clara de que el aislamiento ha alcanzado el final de su vida útil confiable.
el aislamiento está llegando al final de su vida útil. Esto le da al planificador de mantenimiento suficiente tiempo para programar el reemplazo del motor.
“El esfuerzo de alta tensión diario exigido en el motor por la actividad de conmutación normal es mucho más destructivo que cualquier prueba de Hipot o de Impulso bien regulada”
Pruebas de impulso
Además del aislamiento a tierra, el motor también cuenta con un sistema de aislamiento
entre espiras. Este es el aislamiento entre las hebras individuales de alambre en una bobina, el aislamiento entre bobinas adyacentes y el aislamiento entre los puntos de cruce de fase a
fase dentro del sistema de devanado.
Durante las sobrecargas por los transitorios, se estresan estas barreras de aislamiento entre espiras debido a la naturaleza de la inducción en los devanados del motor. La caída de tensión entre espiras no es lineal en su distribución y exige un mayor esfuerzo de las espiras más cercanas a los cables del motor. Estas espiras en cortocircuito producen corrientes de alta inducción en los bucles cerrados en cortocircuito que producen fallas de aislamiento entre fases o a tierra.
A menudo, se descubre que las fallas a tierra y las fallas de devanado entre fases se
originan en cortocircuitos del aislamiento entre espiras. Esto convierte a las pruebas de impulso en una de las indicaciones más fundamentales de deterioro prematuro del aislamiento. La prueba de impulso simula eficazmente el mismo esfuerzo soportado por el devanado del motor durante un transitorio típico. Mediante una evaluación constante de la estabilidad de la onda de impulso, se puede detectar una variación de la frecuencia de la forma de onda de impulso, a la vez que se limita el flujo de energía una vez que se detecta la debilidad.
Si bien estas pruebas no son en absoluto tecnologías nuevas, los métodos de prueba, de evaluación y de control son relativamente nuevos. Las empresas de pruebas y mediciones
eléctricas ahora pueden probar instrumentos mediante capacidades de monitoreo de sus computadoras integradas, con el fin de evaluar y controlar continuamente la tensión y la corriente, así como interrumpir la prueba inmediatamente cuando se detecten irregularidades.
“El arranque excesivo del motor, la mala calidad de la energía y la sobrecarga son métricas controlables que pueden tener efectos
destructivos mucho mayores en el equipo que cualquier prueba de alta tensión“.
¿Son destructivas las pruebas de Hipot e impulso?
Las personas suelen preguntar si las pruebas de Hipot e impulso son destructivas y, a menudo, se sorprenden al saber que la respuesta es sí, pueden ser destructivas si el devanado está deteriorado. Sin embargo, si el devanado no está deteriorado, la respuesta es no.
La única forma de que se degradaría el aislamiento es que una carga excesiva fluya a través del material debilitado. Esto no ocurre con un buen aislamiento.
Si el aislamiento está deteriorado, entonces la corriente que fluye a través de este puede ocasionar más carbonización al ya producido. Debido a que la prueba está regulada, cualquier posible carbonización se minimiza y, por lo tanto, el motor puede continuar operando hasta que se instale un reemplazo adecuado. Si el aislamiento está deteriorado, las pruebas de alta tensión no causarán más que el deterioro equivalente al provocado naturalmente por un solo ciclo de arranque.
“Los datos muestran claramente que no hay ninguna correlación entre el valor de la resistencia del aislamiento a tensiones bajas y que no aplican esfuerzo, y la capacidad del aislamiento para soportar esfuerzos de alta tensión”.
Las pruebas de aislamiento de rutina realizadas con control de precisión y con niveles de energía reducidos son una de las situaciones menos dañinas que el motor experimentará durante su ciclo de vida. Es importante tener en cuenta que, cuando una debilidad del aislamiento se ve exigida por la tensión de reacción inductiva provocada por la operación de arranque del motor, toda la energía del sistema de distribución está disponible para carbonizar los devanados. Cuando se realizan pruebas de Hipot e impulso, los niveles de energía son, apenas, una pequeña fracción de los que se experimentan durante los transitorios habituales del motor.
Experimentos de voltaje de ruptura
Una empresa de pruebas y mediciones eléctricas llevó a cabo recientemente algunos experimentos de voltaje de ruptura como demostración de la fuerza de diversos materiales.
Realizaron pruebas a muchos elementos comunes, como hojas de plantas, cinta adhesiva y
eléctrica, materiales aislantes e, incluso, papel higiénico. En la prueba de resistencia de aislamiento a 500 V, se descubrió que el papel higiénico de dos capas tiene un valor de resistencia del material aislante de 2000 megaohmios, mientras que un cable de alimentación de computadora común solo tenía un valor de resistencia de 260 megaohmios.
Cuando se realizó la prueba de Hipot en escalón, el papel higiénico presentó un voltaje de ruptura de 2000 V, y el cable de alimentación pudo contener la totalidad de los 30 000 V disponibles desde el Power Pack sin deteriorarse nunca.
Los datos muestran claramente que no hay ninguna correlación entre el valor de la resistencia de aislamiento a tensiones bajas y no estresantes, y la capacidad del aislamiento
para soportar esfuerzos de alta tensión. La capacidad del aislamiento para soportar esfuerzos de alta tensión, para los que está diseñado, simplemente no se evalúa mediante pruebas de CC de baja tensión.
Condiciones de pseudoprueba
1. Zotos, Peter. “Motor Failures Due to Steep Fronted Switching Surges: The Need for
Surge Protection – User’s Experience.” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 30,
N.º 6, noviembre/diciembre de 1994.
2. The Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEEE 95–2002 – IEEE Recommended
Practice for Insulation Testing of AC Electric Machinery (2300 V and Above) With High
Direct Voltage. 2002.
3. Tallam, R.M., Habetler T.G. and Harley, R.G. “Transient Model for Induction Machines
with Stator Winding Turn Faults.” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 38, N.º
3, mayo/junio del 2002.
4. Gupta, B. K., Stone, G. C. and Stein, J. “Use of Machine Hipot Testing in Electric Utilities.” Proceedings: Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing and
Coil Winding Conference, Cincinnati, OH, 2001, pp. 323–326.
5. Wilson, John. “Stored Energy in a Motor.” Technical Note, Baker Instrument Company,
2006.
Drew Norman
taller y coordinador del programa de administración de equipos. Drew es veterano de la Marina de Estados Unidos, en la que sirvió durante ocho años como oficial especializado electricista y operador nuclear en el servicio submarino. www.megger.com/baker
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