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

Este artículo se publica en 2 entregas. Ofrecemos a continuación la segunda de ellas.

Consulte aquí la Parte I de este artículo

3. Evaluaciones y pruebas en los sistemas de aislamiento

Con el pasar del tiempo y bajo los esfuerzos sometidos en la operación, el sistema de aislamiento sufre alteración de sus propiedades, causando un envejecimiento natural o incluso acelerado. Esto hace que los aislantes reduzcan su capacidad dieléctrica y tiendan al fallo. Estos fallos pueden ocurrir en medio de importantes procesos, en los cuales la máquina eléctrica está ubicada. Estos eventos indeseados pueden ser minimizados con revisiones preventivas periódicas, donde especialistas utilizan técnicas de evaluaciones de tendencia y posibles fragilidades en los sistemas de aislamiento. Para eso, pueden ser aplicadas técnicas de evaluaciones normalizadas o inclusive mediciones específicas que muestran esta tendencia.

Las principales evaluaciones consideradas son: resistencia de aislamiento, índice de absorción e índice de polarización, prueba de sobrecarga de tensión, tensión aplicada, corona visual, pérdidas dieléctricas (tangente delta) y descargas parciales. El ensayo de la medición de la resistencia de aislamiento en las máquinas eléctricas es utilizado para identificar daños en el sistema de aislamiento, que producen cortocircuitos francos o una reducción en la resistencia de aislamiento, comparada a la resistencia de máquinas del mismo tipo, en buenas condiciones, o a una medición anterior. Los índices de absorción y polarización están relacionados a las lecturas de 30 segundos y 10 minutos del aislamiento.

El ensayo de tensión aplicada (hipot) tiene el objetivo de evaluar la capacidad dieléctrica del sistema de aislamiento, para soportar los esfuerzos sometidos a la máquina eléctrica en servicio. Si el sistema de aislamiento soporta la prueba de hipot, significa que soportará los esfuerzos sometidos en operación, con bajo riesgo. La figura 5 presenta un ejemplo de sobrecarga de maniobra de un disyuntor de vacío, al cual el motor eléctrico de 11kV de tensión nominal está sujeto. Éste llega a 36,2 kV (la escala del gráfico es de 10 kV por división).

Existen dos posibilidades para realizar las pruebas de tensión aplicada, en CA o CC. La prueba en CA es preferida, ya que somete el aislamiento de manera similar a la operación. Además de eso, puede detectar mejor posibles defectos y es también utilizado en otras pruebas como corona visual, tangente delta y descargas parciales. Las ventajas de la prueba CC es que el equipo es más barato y portátil, característica importante para las pruebas en campo, debido a la movilidad. Además de eso, presenta también la ventaja de un control mejor para abortar la prueba en un diagnóstico o tendencia de fallo. La prueba normalizada en CA es aplicar 2 x ULínea + 1kV y en el caso de CC es 70% mayor que el de CA.

El efecto corona está presente en máquinas eléctricas de media tensión (por encima de 10kV). El efecto corona está causado por la ionización del gas adyacente a los devanados con bobinas preformadas. Tal ionización viene siendo provocada por el campo eléctrico en torno de los conductores.

Figura 5: Ejemplo de sobrecargas de tensión ocasionados por maniobras de disyuntores

La prueba de sobrecarga de tensión, conocida como “surg test”, se realiza aplicando una breve sobrecarga de tensión en la bobina, que responde por medio de una forma de onda senoidal amortiguada. La forma de onda que el instrumento presenta está directamente relacionada con la impedancia de la bobina, que presenta una característica propia y única.

Evaluaciones de aislamiento difícilmente revelan el estado del aislamiento por una simple medición, ya que los cambios en las pérdidas dieléctricas dependen del material de fabricación, tamaño de las máquinas, condiciones ambientales y operacionales. Por otro lado, un seguimiento de las mediciones de tangente delta, también conocido como factor de disipación, muestra tendencias a lo largo del ciclo de vida de la máquina eléctrica, que pueden diagnosticar la tendencia de degradación del sistema de aislamiento. El ensayo de tangente delta es utilizado también para la evaluación de la calidad de la impregnación, secado y cura del aislamiento a lo largo del proceso de fabricación de la máquina eléctrica [5].

La tensión aplicada en un sistema de aislamiento somete los aislantes a una diferencia de potencial que se distribuye por todo el devanado, con relación a tierra. No obstante, vacíos y cavidades existentes pueden alterar el dieléctrico, reduciendo la rigidez dieléctrica por los gases en el interior de éstos. Estas faltas pueden generar pequeñas descargas parciales hacia el interior de las burbujas, provocando un proceso progresivo de deterioro del material y eventual fallo del aislamiento. Estos vacíos pueden estar relacionados a procesos de impregnación, secado o cura del devanado, o también por el envejecimiento y micro fisuras causadas por la operación, principalmente la sobre temperatura.

Estas pruebas, de forma general, fueron desarrolladas para evaluar fallos en el proceso de fabricación y suministran muchas informaciones importantes, sin embargo, provocan un estrés extra en los aislantes. De esa forma, sistemas de aislamiento fragilizados por una vida larga pueden ser llevados al fallo durante las pruebas. En el próximo párrafo se muestra un ejemplo de reducción de la vida útil de un sistema de aislamiento, el cual podría ser válido por
algunos años más.

Durante la prueba de la tensión aplicada, todo el devanado (entre el inicio y el final de éste) queda sometido a la misma diferencia de potencial, con relación a tierra, conforme la figura 6 (b). Por otro lado, en la condición de funcionamiento normal, el nivel de tensión al que están sometidas las bobinas en las proximidades del punto neutro es menor al de la salida de la fase, según se muestra en la figura 6 (a) [6].

Figura 6: (a) Ejemplo ilustrativo de la distribución de la tensión en los devanados, cuando el equipo está en operación. (b) ejemplo ilustrativo de un devanado siendo sometido a un ensayo de hipot

3.1 Resistencia de aislamiento e índice de polarización y absorción
Este ensayo se realiza con tensión continua (cc), con amplitud que depende de la magnitud de la tensión nominal de la máquina a ser ensayada. El megóhmetro es el instrumento típico para la realización de este ensayo. Los megóhmetros poseen escalas de 500
a 15.000V y los factores de temperatura ambiente y la humedad relativa del aire influencian en gran manera en las mediciones. Por eso, es muy importante siempre referenciar estos dos factores ambientales con la medición.

Tabla 1: Guía para selección de tensión CC para la medición de resistencia de aislamiento (IEEE43)

La corriente de fuga total que circula por el aislamiento está compuesta por tres componentes: la corriente de fuga conductiva, la capacitiva y la de absorción de polarización. La corriente de fuga conductiva (IL) es una pequeña cantidad de corriente (μA) que fluye a través del aislante. Esta corriente aumenta a medida que el aislamiento se deteriora. La corriente de fuga de carga capacitiva (Ic) ocurre debido a la proximidad de los conductores, a través de su aislamiento. Esta corriente dura solamente algunos segundos, hasta que el aislamiento sea cargado con la tensión continua aplicada por el instrumento. Finalmente, la corriente de fuga de absorción de polarización (Ia) es causada por el desplazamiento de cargas dentro del material dieléctrico. En
equipos de baja capacitancia, la corriente es alta en los primeros pocos segundos, disminuyendo lentamente a casi cero. Para equipos de alta capacitancia o aislamiento contaminado, no habrá disminución en la corriente de absorción por un largo período, conforme la figura 7, [14].

Figura 7: Descomposición de la corriente total durante la medición de la resistencia de aislamiento [14] (escala de la izquierda del gráfico) y su correspondiente resistencia de aislamiento (escala a la derecha del gráfico, en la unidad típicamente mostrada por el megôhmetro)

El valor de resistencia de aislamiento es medido en 1 minuto y corregido para la temperatura de referencia (40ºC) por la ecuación 1, según la IEEE43. El criterio de aceptación es de 100MΩ para bobinas preformadas.

Los valores de los índices IP e IAbs vienen determinados por las ecuaciones 2 y 3 y se hace necesaria la medición de aislamiento en 30 segundos y 10 minutos:

Tabla 2: Criterios de evaluación para la medición de resistencia de aislamiento (IEEE43)

El ensayo de medición de la resistencia de aislamiento no tiene restricciones, respetando los valores indicados en la tabla 1. Además de eso, los instrumentos disponibles en el mercado tienen tensión CC limitada en 15kV y, principalmente, potencia insuficiente para mantener una fuga de corriente perjudicial al devanado, reduciendo automáticamente la tensión aplicada.

3.2 Prueba de sobrecarga de tensión
La prueba de sobrecarga de tensión es fundamental para detectar corto entre espiras, pero también es posible identificar fallos como: cortocircuito entre bobinas, cortocircuito entre fases, conexiones invertidas y número de espiras diferentes. El valor de la inductancia de una bobina (medida en henrios) es básicamente determinado por el número de espiras, por el formato de la espira y por las propiedades geométricas y físicas del núcleo de ésta. Cuando la inductancia
disminuye, la frecuencia de la oscilación del circuito aumenta, de acuerdo con la ecuación 4.

La norma IEEE 522 ítem 6.2 informa del nivel de tensión que debe ser utilizado para el ensayo, determinado por la ecuación 5.

Nota: A partir de las constantes de la ecuación, se puede considerar la misma de forma resumida como: 2,85 x ULínea.

Si la resistencia del dieléctrico no soporta la tensión V2, el aislamiento se dañará y algunasespiras estarán cortocircuitadas, reduciendo la inductancia y, por lo tanto, aumentando la frecuencia, conforme la ecuación 4. El cambio de la forma de onda ocurre cuando la corriente (i) varía de acuerdo con el tiempo del pulso (t). Cuando el aislamiento entre espiras es frágil, el resultado es una oscilación de pequeña amplitud deformada. Esta amplitud es determinada por la ecuación 6:

La medición por este ensayo es de fácil control, ya que la rampa de subida de la tensión que es aplicada es acompañada y, ante cualquier tendencia de un evento, el operador podrá interrumpir la prueba rápidamente. Sin embargo, el nivel de tensión recomendado por la norma puede someter los aislantes a valores considerablemente altos. Por ejemplo, para una máquina con tensión nominal de 13,8kV, la tensión recomendada por la norma para el ensayo es 39,5kV. Para máquinas
en campo, la norma IEEE522 sugiere el valor de prueba de 0,75 x 2,85 x 13,8kV, que resulta en 29,5kV. Para las evaluaciones de máquinas a ser reparadas y con posibles aislamientos envejecidos, la proposición es utilizar la tensión de fase +10%. Como se trata de un pulso de tensión tendiendo a una tensión continua, multiplicar por 1,7. Por ejemplo, para una máquina de 13,8kV de tensión nominal, el valor a ser utilizado en la prueba es 14,91kV.

3.3 Tensión aplicada
Las pruebas con tensión aplicada son necesarias para asegurar que los sistemas de aislamiento posean capacidad mínima de soportar los esfuerzos sometidos durante el funcionamiento normal. Por ejemplo, deben soportar las sobrecargas (dV/dt’s) de maniobras de los disyuntores como el mostrado en la figura 5.

La prueba para una máquina nueva o rebobinada consiste en aplicar una tensión alterna de 2 x ULínea +1kV (ejemplo: para una máquina de 13,8kV, será aplicado 28,6kV). Para una máquina en servicio, la norma IEC 60034-1 recomienda aplicar ULínea x 1,5 (ejemplo: para una máquina de 13,8kV, será aplicado 20,7kV). Para aplicar tensión continua, multiplicar los valores de tensión alterna por 1,7. Para ambos casos, el aislamiento debe soportar este nivel de tensión durante 1
minuto.

Básicamente, el criterio de aceptación es del tipo pasa o no pasa (fallo). Por lo tanto, en principio, un sistema de aislamiento que no pasó esta prueba se puede considerar que fallaría en un corto período de operación. Su función es reducir la tasa de mortalidad característica de la fase inicial de la curva de la bañera. La experiencia muestra que varios puntos fragilizados en el sistema de aislamiento son evidenciados por el hipot.

Para máquinas eléctricas con largos períodos de operación, o sea, con un aislamiento ya estresado, la prueba de hipot puede reducir en algunos años la vida útil del equipo, llevando a un fallo debido a la aplicación de tensión en un aislamiento que no es nuevo. La decisión de realizar o no esta prueba, tras una revisión es siempre delicada, y debe de ser tomada por el fabricante o empresa prestadora de servicios, para reparaciones o revisiones basadas en criterios normalizados. La proposición de este artículo es utilizar tensión de fase +10% para el hipot, ya que de esta manera se hace una evaluación del sistema de aislamiento similar al de cuando la máquina eléctrica está en operación, no obstante, midiendo la corriente de fuga del sistema de aislamiento.
Con base en la figura 5, también puede existir una posibilidad de fallo en la prueba de hipot, pero con riesgo bastante reducido.

Tabla 3: Niveles de tensión recomendados por norma y propuesta del artículo

3.4 Corona visual (Black-out test)
El efecto corona tiene origen en la descarga eléctrica por la ionización del gas entre bobinas o la tierra. El aspecto azulado acompañado de ruido es característico del efecto que ioniza parcialmente el gas, con formación de ozono. Este efecto deteriora el material aislante, con correspondiente disminución de la rigidez dieléctrica del aislamiento, llevando a descargas eléctricas que conducen al posterior fallo de aislamiento.

Este ensayo es aplicable para máquinas con tensión por encima de 10 kV. Es realizado con 1,15 x ULínea (ejemplo: para una máquina de 13,8kV, se utiliza 15,87kV), según la IEEE 1799. Este ensayo identifica puntos visuales de descargas eléctricas entre bobinas. Estos puntos de corona, si no son corregidos, aceleran el deterioro de los aislantes.

La proposición para esta prueba también es aplicar 10% a más de la tensión de fase (ejemplo: para una máquina de 13,8kV, se utiliza 8,76kV), no obstante, en dos devanados, usando dos aplicadores de tensión desfasados de 120º, como se muestra en la figura 8 (b). Esta condición es exactamente la misma de la operación, conforme lo muestra la distribución fasorial en la figura 8 (a). Con esta prueba propuesta fue posible identificar en torno de 60 a 70% con relación a la misma prueba, aplicando niveles de tensión sugeridos por norma (15,87kV para el ejemplo de 13,8kV).

Figura 8: (a) Distribución fasorial de un sistema trifásico de tensión. (b) Tensión aplicada en dos fases diferentes y aplicada por dos aplicadores de tensión desfasados de 120º

3.5 Tangente delta

El ensayo de “tangente delta” también es aplicable para máquinas con tensión ≥ 6kV. Es realizado con 1,2 x ULínea (Ejemplo: Para una máquina de 13,8kV, se utiliza 16,56kV), según IEEE286. En el ensayo es realizado un comparativo de la curva de pérdidas dieléctricas estándar de la norma con los valores medidos en la máquina. Estos resultados presentan tendencias del posible comprometimiento del aislamiento. Una nueva impregnación VPI, o incluso el rebobinado, pueden ser recomendados para restablecer los parámetros.

La prueba de tangente delta se basa en el hecho de que todos los materiales aislantes poseen pérdidas dieléctricas. De esa forma, un sistema de aislamiento puede ser modelado por un condensador en paralelo con una resistencia que representa las pérdidas dieléctricas. A partir de este modelo, las pérdidas pueden ser calculadas por la ecuación 9. El diagrama fasorial de las corrientes que circulan en ese modelo está representado en la figura 9.

Para esta medición de tendencia de tangente delta en máquinas en operación también es propuesta la utilización de la tensión de fase (+10%) ya que se trata de medición de tendencia y son realizadas las mismas condiciones de medición para esta evaluación, la curva de tendencia será con la misma base de datos y referencias.

3.6 Descargas parciales
Las descargas parciales son pequeños arcos eléctricos en cavidades de aire dentro o adyacentes al aislamiento. Este fenómeno ocurre porque la rigidez dieléctrica del aire de 3kV/mm es menor que el aislamiento sólido que es de aproximadamente 100kV/mm. El ensayo de descargas parciales, así como el tangente delta, es tratado como una tendencia para la evaluación de los sistemas de aislamiento. Para este ensayo, existen dos opciones de medición: el ensayo off-line, en el cual es necesario aplicar tensión de fase + 10%, según IEC60034-27; y el ensayo online, cuando las mediciones son hechas directamente en la máquina con tensión nominal y rodando en vacío, conforme IEC60034-27-2, ofreciendo así, supervisiones tanto periódicas como continuas.

El ensayo es aplicado para diagnosticar condiciones de los devanados estatóricos con tensión mayor a 3,3kV. Este ensayo no tiene criterio de aceptación, siendo utilizado para un seguimiento de tendencia a lo largo del tiempo de operación.
Para el ensayo de descargas parciales, ya es aplicada en la práctica la tensión de fase +10% para el caso del ensayo off-line y, cuando ya existe el equipo instalado en la máquina eléctrica para un monitoreo continuo, el sistema es alimentado como en el proceso normal de trabajo.

4 Conclusión
El principal objetivo del artículo fue proponer una opción más, además de las recomendadas por las normas, para la toma de decisión sobre los niveles de tensión a ser utilizados en las evaluaciones de los sistemas de aislamiento envejecidos, para las
reparaciones y servicios en las máquinas eléctricas. La decisión a ser tomada en estas evaluaciones siempre es compleja, ya que existen riesgos en todas ellas.

La opción propuesta apunta a evaluar los sistemas de aislamiento en los mismos niveles de tensión a los que son sometidas las máquinas eléctricas, cuando están en operación, minimizando el riesgo de fallo en ese momento. Sin embargo, es imposible prever el tiempo que podrá ser extendida la vida útil de la máquina tras las evaluaciones y servicios realizados.

La mayoría de las evaluaciones requiere someter los sistemas de aislamiento a niveles de tensión, para verificar la capacidad dieléctrica de los aislantes. Para máquinas nuevas, este proceso debe ser garantizado por el fabricante de la máquina eléctrica, por tratarse de un equipo nuevo. Estos niveles de tensión están normalizados y considerablemente altos, pues las máquinas eléctricas están sujetas a altos dV/dt’s en operación normal.

No obstante, máquinas con largo período de operación y sistema de aislamiento envejecido pierden naturalmente su capacidad dieléctrica. Al mismo tiempo, en caso de revisiones o reparaciones, se espera un período más de operación con un eventual fallo
mitigado. Sin embargo, para la evaluación de la integridad de este equipo, se hace necesario energizarlo para verificaciones de los sistemas de aislamiento. Estos mismos ensayos que son utilizados para evaluaciones pueden eventualmente ocasionar un fallo en aislamientos comprometidos.

Los niveles de tensión para los ensayos dieléctricos que comprueban la integridad de los sistemas de aislamiento son recomendados por la norma específica. El artículo propone utilizar las tensiones de fase de los devanados +10%, pero también alerta que el dieléctrico sometido en la prueba de evaluaciones no es totalmente igual al de la operación, ya que existen niveles graduales de tensión en el devanado en operación. Por eso, la posibilidad de fallo todavía existe.

Las principales pruebas fueron descritas en el artículo, donde la de resistencia de aislamiento no presenta ningún riesgo. El test de sobrecarga (surge test) tampoco es tan crítico por el fácil control de la prueba, no obstante, los valores fueron sugeridos considerando la
tensión de fase +10% veces 1,7, por poder considerar una tensión casi CC (poca variación), no teniendo el mismo efecto tan crítico para el aislante. Por otro lado, las pruebas de tensión aplicada y corona visual son las más críticas. Para tensión aplicada, la prueba es hecha con +10% de la tensión de fase, controlando así la corriente de fuga y, para corona visual, la misma condición de tensión, sin embargo, aplicando en dos fases, simulando el efecto del campo eléctrico sometido en las bobinas en operación.

Los resultados de los puntos de corona visual quedaron alrededor de 60% a 70% de la misma prueba, aplicando las recomendaciones de norma. En las pruebas de tendencia de tangente delta y descargas parciales es posible utilizar la tensión propuesta por el artículo, ya que presenta niveles de referencia que pueden ser comparados con otras medidas anteriormente realizadas. Por lo tanto, la proposición del artículo presenta resultados eficaces en la identificación de tendencias de fallo en el sistema de
aislamiento en máquinas para reparaciones y revisiones con tensión de fase +10%, mitigando la posibilidad de fallo en las pruebas.

Los resultados presentados en este trabajo serán complementados con una investigación de tiempo medio de sobrevida, a partir de la aplicación del método propuesto. En este trabajo futuro, serán analizadas las correlaciones entre este tiempo, los fallos que
causaron la nueva parada y los resultados de ensayo.

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.
[2] RODENBURG, R. L. Replacements, Units, Service Lives, Factors, Prepared for U.S. Department of Energy, U.S. Department of the Interior and U.S. Bureau of Reclamation, 1995, PO No. AA-P0-12652-22503.
[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.
[4] 1. CIGRE WG A1.10. Survey of Hydrogenerator Failures. Cigre Report 392; CIGRE: Paris, France, 2009.
[5] GUEDES, A. S. Estudio y proposición de técnicas para la evaluación del aislamiento en motores de inducción trifásicos de baja y media tensión. Tesis de doctorado de la Universidad Federal de Minas Gerais, 2018.
[6] MELERO, M. G.; CABANAS, M. F.; ROJAS, C. H.; NORNIELLA, J. PEDRAYES, F.; BARRERA, J. M. Fault detection in the manufacturing process of form-wound coils by
means of dissipation factor and hipot tests. International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 09), Valencia (Spain), 2009.
[7] GUPTA, B. K.; STONE, G. C.; STEIN, J. Stator winding hipot (high potential) test. IEEE Electrical Insulation Conference, Montreal, Canada. 2009. [8] HENAO, H.; CAPOLINO, G. A.; CABANAS, M. F.; BRUZZESE, C.; STRANGAS, E.; PUSCA, R.; ESTIMA, J.; RIERA-GUASP, M. ; HEDAYATI-KIA, S. Trends in fault diagnosis for electrical machines. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2014.
[9] BELKO, V. O.; KOSTELIOV, A. M.; PETRENYA, Y. K.; ANDREEV, A. M.; ROITGARZ, M. B.; Numerical Simulation of discharge activity in HV rotating machine insulation. Conference
Paper, Saint Petersburg, Russia, 2014.
[10] SCHUELLER, M.; SENN, F.; LADSTAETTER, W. Influences of the one minute withstand voltage test on the electrical endurance of insulation systems of rotating electrical machines. Inductica, Berlin, Germany, 2009.
[11] RUX, L. M.; The physical phenomena associated with stator winding insulation condition as detected by the ramped direct high-voltage method. Dissertation submitted to
the Mississippi State University, USA, 2004.
[ 12 ] STONE, G. C.; BOULTER, E. A.; CULBERT, I.; DHIRANI, H.; Electrical insulation for rotating machines. Design, Evaluation, Aging, Testing, and repair. IEEE Press Series on
Power Engineering, 2004.
[13] RÜNCOS, F.; Proyecto y análisis de la máquina eléctrica trifásica. Editora OitoNoveTrês, 2º Edición, Volumen 1, 2019.
[14] VORTEX Equipos. Prueba de resistencia de aislamiento. Fabricante Fluke.
http://www.vortex.com.br
[15] FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY JR, C.; KUSKO, A.; Máquinas Eléctricas. Editora McGraw-Hill de Brasil, Ltda, 1975.