Walter Evaldo Kuchenbecker, Investigador doctor colaborador del Programa de Posgraduación en Energía-UFABC

Este artículo se publicará en 2 entregas. Ofrecemos a continuación la primera de ellas.

El mantenimiento frecuente de la máquina eléctrica rotativa es vital para su perfecto funcionamiento, y esta responsabilidad es aún mayor en máquinas de gran tamaño, debido a los altos valores añadidos a esas máquinas y a los procesos donde normalmente están ubicadas. Las máquinas de gran porte, construidas con devanados de media tensión, requieren de tecnologías específicas y cuidados especiales en su fabricación. Estos cuidados deben de ser aún más específicos en la operación y mantenimiento, ya que estas máquinas eléctricas están sometidas a severas condiciones de estrés eléctrico, mecánico, térmico y ambiental. Un mantenimiento periódico garantiza una vida útil mayor, ya que puede identificar posibles tendencias incipientes de fallos.

Las herramientas, equipos y experiencias de los equipos de mantenimiento pueden identificar estas tendencias al fallo, las causas y las respectivas correcciones. Para estas evaluaciones, los devanados muchas veces deben de ser sometidos a niveles de tensión que también pueden comprometer la actual situación de la máquina, que ya sufrió durante muchos años el estrés de la operación.

De esta forma, ese artículo tiene como objetivo presentar técnicas de evaluaciones en máquinas eléctricas rotativas, utilizando la tensión nominal de fase +10%, o sea, los mismos niveles de tensión aplicados a los devanados en operación, una proposición diferente al que es descrito en las normas.

Introducción
Las máquinas eléctricas poseen un papel fundamental en cualquier proceso productivo, tanto en fuerza motriz como en fuente de energía. Por lo tanto, cualquier parada de una máquina eléctrica, producirá impactos significativos en el proceso productivo. Los altos índices de competitividad de mercado están llevando a las industrias a buscar fiabilidad y disponibilidad de los equipos, para minimizar interrupciones indeseadas en los procesos productivos, así como para reducir costes no programados de mantenimiento. Es por ello que el mantenimiento desempeña un papel fundamental, mediante estrategias en la gestión de mantenimiento preventivo y predictivo. En todo proceso de fabricación existen equipos que están en fase continua de depreciación, o incluso, a camino de pasar a obsoletos. El mantenimiento debe garantizar la fiabilidad en los equipos durante todo el proceso de depreciación [1].

La tradicional “curva de la bañera” de fallos de equipos, conforme la figura 1 [1], traduce la probabilidad de fallos en máquinas eléctricas girantes. Al inicio de la operación, se podrá deparar con fallos inherentes a la aplicación, al transporte o eventualmente a la producción. Después de pasado ese momento, el equipo entra en una operación estable, pudiendo fallor aleatoriamente, y pasado por este período, se entra en el límite de su vida útil. Para reducir el número de fallos debido a la producción, que ocurrirían tras la instalación, son realizados diversos ensayos, por parte del fabricante, antes de que el equipo sea liberado. Éstos no son ensayos adaptados para los otros momentos de la vida útil del equipo. El artículo se propone tratar las evaluaciones del sistema de aislamiento, cuando la máquina eléctrica esté en el último período de la “curva de la bañera”.

Figura 1: Tradicional “curva de la bañera” para las probabilidades de fallo durante la vida útil del equipo [1]

Las máquinas eléctricas están sometidas continuamente a estreses eléctricos,mecánicos, térmicos y ambientales, principalmente a los contaminantes que degradan los
componentes de la máquina y comprometen su vida útil.

El principal componente que es degradado en una máquina eléctrica es el sistema de aislamiento de los devanados. Este factor es aún más complejo en las máquinas de media tensión. La figura 2 presenta una estadística de fallos en generadores de gran tamaño, donde se puede observar que los fallos referentes al aislamiento son los predominantes. La vida útil de los aislantes normalmente define la fiabilidad de funcionamiento de la máquina eléctrica. Una máquina de buena calidad, y trabajando de la manera recomendada, tiene una expectativa de vida útil de alrededor de 25 años [2; 3]. El aislamiento puede estar afectado por varios factores, tales como: absorción de humedad, oxidación, descomposición térmica, efectos electrolíticos y corrientes de fuga, descargas eléctricas y sus reacciones químicas, estreses termomecánicos, desgaste mecánico y abrasivos. Estos factores pueden acelerar las degradaciones en los aislamientos y llevar a la máquina eléctrica a fallos prematuros e inesperados.

Figura 2: Estadísticas de fallos en generadores de gran porte y media tensión [2]

Constantemente se desarrollan estudios y equipos para estudiar las tendencias al fallo. Los ensayos más comunes utilizados en las evaluaciones de estas máquinas eléctricas son: la medición de la resistencia de aislamiento, índice de absorción y polarización; prueba de sobrecarga de tensión (surge test), que es el utilizado para identificar corto entre espiras; los aplicadores de tensión (hipots) usados para probar los aislantes de manera activa, midiendo la fuga de corriente y verificando el efecto corona; las pérdidas dieléctricas (la tangente delta), que son usadas para identificar la tendencia de las pérdidas en la capacitancia asociada al aislamiento y el medidor de descargas parciales que muestra las pequeñas descargas que ocurren en estos sistemas de aislamiento y traza una evolución de estos niveles.

El estator y el rotor de una máquina eléctrica están compuestos básicamente por trestipos de materiales: los conductores de cobre (pudiendo ser de aluminio en algunos casos), el núcleo de chapas ferromagnéticas y los aislantes. Los conductores conducen la corriente necesaria para la creación del campo magnético y conversión de energía, el núcleo de chapas conduce el flujo magnético y los aislantes separan las partes eléctricamente activas, garantizando que la corriente siga el camino correcto.

Los devanados del estator pueden fabricarse de tres maneras: bobinado aleatorio, utilizado para bobinas de alta capacidad de corriente con varios conductores en paralelo, común en máquinas de tensión inferiores a 1kV (baja tensión). Las bobinas preformadas se utilizan normalmente en máquinas con tensión superior a 1kV. Las bobinas se moldean y se aíslan antes de la inserción en las ranuras de la máquina. Todas las bobinas poseen el mismo formato con separaciones entre cada bobina. Las bobinas de las máquinas superiores a 50MW son de difícil inserción en las ranuras, debido a su gran tamaño, aumentando la probabilidad de daños en el proceso de bobinado. Este proceso es facilitado por la inserción de devanados de barras del tipo Roebel. En esos devanados existen conexiones en los dos lados de las barras,
para la formación de la espira.

El sistema de aislamiento de un devanado de la máquina eléctrica contiene varioscomponentes, los cuales evitan que la parte activa entre en cortocircuito. Los componentes básicos de un sistema de aislamiento son: aislamiento entre los cables, aislamiento entre espiras y aislamiento a tierra. El diseño del aislamiento debe tener en cuenta la vibración originada por las fuerzas electromagnéticas y la dificultad extra que causan al enfriamiento de los devanados.

Las máquinas eléctricas de media tensión utilizan normalmente la conexión estrella con el neutro accesible para la alimentación del estator. Cuando la máquina tiene esta conexión, la composición de la tensión de línea se da por la suma vectorial de las dos tensiones de fase. En el caso de la conexión triángulo, la tensión de fase es exactamente la misma de la tensión de línea, y la corriente de línea se da por la sumatoria vectorial de las corrientes de fase. De esa forma, hay una relación de 1,73 veces (raíz cuadrada de 3) entre el valor de la línea y de fase en máquinas trifásicas.

El diseño del sistema de aislamiento toma en consideración más de un siglo de experiencia de los fabricantes de equipos electromagnéticos. Entretanto, los nuevos materiales y el uso de la electrónica de potencia, ambos con alta tasa de actualización en las últimas décadas, exigen un continuo perfeccionamiento del conocimiento sobre el tema. Las normas consideran las evaluaciones de los devanados, siempre con tensión de línea de la máquina. La tensión aplicada en el ensayo del “hipot” está normalizada en 2 x ULínea + 1kV, valor este muy por encima de la tensión de línea de la máquina. Esta alta tensión produce un estrés
concentrado durante 1 minuto y sólo debe ser aplicada en máquinas nuevas.

Máquinas con mucho tiempo de uso, que aún están dentro de su vida útil, sometidas a las más diversas condiciones de agresividad, pueden tener las propiedades de los aislantes modificadas, no cabiendo en ella este ensayo normalizado, ya que el estrés concentrado de este ensayo puede envejecer rápidamente el aislante, reduciendo su vida útil [4].

La proposición de este artículo es mantener los niveles de tensión de operación para las evaluaciones generales de los sistemas de aislamiento de las máquinas a ser reparadas. Por lo tanto, utilizar siempre ULínea/ +10% para todos los ensayos recomendados para evaluar el equipo. El incremento de 10% en la tensión es debido a la posibilidad de variación de tensión de los sistemas de suministro de energía eléctrica.

2 Características de los aislamientos

2.1 Tipos de construcción de estatores

Los estatores de las máquinas eléctricas de media tensión están compuestos por bobinas preformadas, núcleo de chapas ferromagnéticas finas con bajas pérdidas y de alta permeabilidad y el sistema de aislamiento. El aislamiento para la masa es hecho en la propia bobina para las bobinas preformadas, diferente de los devanados aleatorios de baja tensión en los que el aislamiento es hecho por filmes aislantes dentro de la ranura, pero éstos no serán discutidos en este artículo.

Los factores que definen un sistema de aislamiento son las temperaturas de trabajo, cuando la máquina eléctrica se encuentra en régimen, la tensión nominal, la resina utilizada en la impregnación y el ambiente en el que la máquina trabajará, así como la aplicación de la  máquina. Los devanados con bobinas preformadas se utilizan generalmente en máquinas eléctricas con potencia por encima de 1000kW y con tensión de línea normalmente superior a 690V. La figura 3 muestra un estator con bobinas preformadas, debidamente espaciadas, resaltando cómo los cables rectangulares están dispuestos dentro de la ranura.

Figura 3: Estator con bobinas preformadas y ranura con disposición de los conductores [13]

Los devanados con bobinas preformadas están constituidos por cables rectangulares, que pueden estar aislados entre sí de cuatro maneras diferentes, seleccionados por el nivel de tensión deseado. Los cables rectangulares pueden ser revestidos por una capa de esmalte a base de poliéster. Para tensiones mayores, este aislamiento es reforzado con una o dos capas de aislante a base de fibra de vidrio. Otra solución es una capa de cinta de mica con base de poliéster. Finalmente, la opción de aislamiento por una capa de esmalte de poliéster y una capa más de cinta de mica es la más adecuada para tensiones más altas. Estas composiciones poseen rigidez dieléctricas en el orden de 70 a 100kV/mm [13].

En la figura 4 se muestra un sistema de aislamiento completo de una bobina preformada para máquina eléctrica de media tensión.

Tras la finalización de todo el proceso de aislamiento y formateado de la bobina, éstas son insertadas en las ranuras del núcleo de chapas magnéticas y trabadas por las cuñas de cierre de la ranura. Con todo el núcleo ferromagnético bobinado, con las conexiones de las bobinas realizadas y los cables de salida interconectados, el núcleo bobinado es sometido al sistema de impregnación a vacío y presión (VPI – Vacuum and Pressure Impregnation). Este proceso consiste en sumergir los devanados en resina aislante bajo presión, para eliminar cualquier posible burbuja de aire. La cura de la resina es hecha en horno calentado, controlando la temperatura de los devanados. Cuando los devanados alcancen la temperatura específica, la máquina permanecerá en el horno por cerca de 12h para la cura. Tras la cura, el
proceso de impregnación estará completo.

Figura 4: Sistema de aislamiento para máquinas de media tensión [13]

Los problemas asociados al fallo de aislamiento pueden estar relacionados con el movimiento de las bobinas, debido a la vibración, normalmente consecuencia de condiciones operacionales inadecuadas. Estas vibraciones reducen la distancia de aislamiento, aumentando el estrés en el dieléctrico. Las condiciones de carga o altas variaciones de los ciclos de carga pueden llevar a deformaciones y fisuras en el material aislante. Para los ambientes contaminados, instalación y mantenimiento, las descargas son ocasionadas en la superficie del aislamiento por partículas conductoras (polvo, contaminación por agua, aceite, etc...). Limpiezas periódicas y procesos adecuados de mantenimiento pueden minimizar los efectos de los contaminantes.

Agradecimentos
El autor agradece a WEG Equipamentos Elétricos y a sus especialistas en máquinas eléctricas, por la contribución y el apoyo en el desarrollo de este trabajo. El agradecimiento se extiende también al profesor Dr. Julio Carlos Teixeira de UFABC, por todas las revisiones en la propuesta del estudio.

Referencias bibliográficas
[1] SILVA, C. S. Prescripción de la modalidad de mantenimiento de motores eléctricos, considerando el costo de mantenimiento y la depreciación del activo. Disertación de maestría de la Universidad Tecnológica Federal de Paraná (Campus Ponta Grossa), 2012.
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[3] STONE, G.C., H.G. SEDDING, B.A. LLLOYD, GUPTA, B.K. The Ability of Diagnostic Tests to Estimate the Remaining Life of Stator Insulation. IEEE Transactions on Energy Conversion, December 1988, Vol. 3, No. 4, pp. 833-840.
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[14] VORTEX Equipos. Prueba de resistencia de aislamiento. Fabricante Fluke.
http://www.vortex.com.br
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