Comprendiendo las Pruebas de PDM para Motores Eléctricos
Por
Curt Lanham
La
mayoría de las fallas eléctricas son causadas por una combinación de
picos de voltaje que ocurren en el arranque y en el deterioro
normal. El problema a menudo empieza como un corto vuelta-a-vuelta
que eventualmente irá a tierra. Sin una prueba de alto voltaje
muchos de estos problemas pasarán desapercibidos. Así que es
importante conocer sus pruebas. Echemos un vistazo a la prueba de
resistencia de aislamiento, a la prueba de índice de polarización, a
la prueba de alto potencial de DC y a la prueba de carga, y resumir
los tipos de problemas que pueden y que no pueden encontrar.
Introducción
Antes de hacer una decisión lógica acerca de qué clases de pruebas
deben ser realizadas en motores para predecir fallos eléctricos,
usted debe entender lo que ocasiona que estas fallas ocurran.
También es importante entender los diferentes grupos de aislamiento,
el proceso de desgaste del aislamiento y revisar los escenarios
típicos de falla. Sólo entonces se pueden tomar las decisiones en
cuanto a que pruebas deben ser incluidas.
Los
Grupos de Aislamiento
El
sistema de aislamiento de un motor consiste en el aislamiento de
tierra a la pared, el aislamiento de fase a fase y el aislamiento de
vuelta a vuelta. En una típica inducción de motor el aislamiento a
la tierra de la pared es el forro de papel de ranura que protege el
cobre aislado a tierra. La Fase a Fase es a menudo una hoja de papel
de aislamiento que es colocada entre las fases. La conexión más
débil en el sistema de aislamiento es a menudo el aislamiento de
vuelta a vuelta. Esta es el esmalte en el cobre de un motor
aleatorio de embobinado o el esmalte y la cinta encontrada en forma
de serpentines. El propósito de este aislamiento es de proteger las
fallas de cobre a cobre.
Para probar apropiadamente el sistema total de aislamiento, varias
pruebas diferentes deben ser realizadas. El aislamiento a tierra de
la pared puede ser probado con un megohmmetro para determinar los
valores de la resistencia del aislamiento, una prueba del índice de
la polarización para evaluar la elasticidad del aislamiento, y una
prueba de alta tensión de DC para probar la fuerza dieléctrica del
aislamiento a algún nivel predeterminado. El aislamiento de la fase
a fase puede ser probado también con parte de las mismas pruebas
mencionadas previamente si el motor es desconectado completamente.
En la mayoría de los casos de mantenimiento predictivo esto no será
el caso y el aislamiento de fase a fase debe ser probado en la misma
manera como el aislamiento de vuelta a vuelta. La prueba de carga es
la única prueba disponible de aislamiento de vuelta a vuelta.
El Proceso de Desgaste del Aislamiento
El proceso de desgaste del aislamiento puede ser afectado por uno o
más de los siguientes cinco factores:
1.
Contaminación: Un depósito químico en el bobinado que causa
deterioro en el aislamiento.
2.
Mecánico: Vibración o movimiento en el bobinado o motor que
usa el sistema de aislamiento.
3.
Desgaste térmico normal: E lento deterioro del aislamiento
sobre el período de vida normal del a través de la operación normal.
4.
Desgaste termal prematuro: Temperaturas excesivas del
bobinado causando una falla prematura.
5.
Picos de sobre voltaje: Cargas de alto voltaje causadas por
cambios, luces y diseño del VFD.
Estos cinco factores deben ser considerados cuando se diseña un
programa de prueba. Miraremos los procesos de desgaste térmico
normales y como son afectados por los factores mecánicos, desgaste
prematuro termal y picos de sobre voltaje. Nos concentraremos en los
problemas no relacionados con la contaminación.
¿Qué hace que los motores fallen?
Dependiendo de que le estudia se refiere a, los fallas eléctricas
son las responsables entre el 35% a 40% de todas las fallas
motrices. Estos mismos estudios, algunos remontados hacia 1936, a
menudo muestran que muchas de estas fallas del bobinado comienzan
como un corto de vuelta a vuelta ocasionados por una carga inclinada
pronunciada debido a la conmutación 2. En los años sesentas, la toma
de medidas de estas cargas muestran picos de 0,5 microsegundo hasta
de 5 por unidad.
Nota: Al discutir sobre la fuerza dieléctrica y picos de voltaje en
este artículo la medida de "pu" será utilizada. Una por unidad (pu)
es la línea de al voltaje a tierra.
Figura 1- La Ley de Pashen
Estas cargas inclinadas son causadas por una variedad de fuentes. La
causa más común y principal de avería del aislamiento de vuelta
interna son las cargas de conmutación 3. Estas cargas de conmutación
pueden ocurrir al abrir y cerrar los contactos.
El reencendido
creará
múltiples cargas.
Los
estudios muestran que estas cargas recorrerán de 1 a 5 pu con
aumentos de tiempo de 0,1 a 1 un micro segundo.
Un motor 4160V
verá cargas
de
hasta 17,000V.
En
operación normal, un serpentín típico sólo verá de 10 a 100V vuelta
a vuelta. La ley de Pashens indica que una diferencia de 350V es
requerida para iniciar un arco. (Ver la Figura 1). Con esta pequeña
diferencia potencial un motor no debe fallar debido a cortos de
vuelta a vuelta en operación normal. Es la combinación de un
aislamiento débil y las cargas inclinadas que aceleran el deterioro
natural del aislamiento - llevando finalmente a las fallas
eléctricas del motor.
La
abrasión mecánica dentro del embobinado es otro mecanismo de
deterioro que opera en el aislamiento del motor. En el arranque una
acción que aprieta causada por las fuerzas magnéticas causará el
desgaste entre los componentes móviles 4. El campo magnético cambia
120 veces por segundo causando que esta opresión ocurra cada vez.
Aunque el desgaste exista entre el bobinado y el aislamiento a
tierra, los estudios muestran que menos del 17% del aislamiento a
tierra sea debido a este movimiento. Es el aislamiento vuelta a
vuelta el que es muy afectado por este tipo de abrasión.
Figura 2- Mientras más rápido se eleva el tiempo, menos líneas de
voltaje dividido
Como se indico previamente, la diferencia potencial de la vuelta a
vuelta durante la operación normal no es suficiente causa de una
falla del aislamiento de la vuelta a vuelta en un motor. Sólo los
picos tendrán un nivel de voltaje suficientemente alto para causar
esta clase de problema. Al Añadir el estrés a esta vuelta a vuelta
en la distribución no lineal del voltaje a través de la fase. En un
estudio realizado por Christiansen y Pedersen 5, fue concluido que
el tiempo de la subida de los picos determinará cómo el voltaje se
propaga sobre los bobinados. Como se muestra en la figura 2,
mientras más rápido es el tiempo de subida menos lineal es el
voltaje dividido sobre el serpentín.
Escenario típico de una falla eléctrica
Cuándo un motor es nuevo la fuerza dieléctrica del sistema de
aislamiento es muy alta. En una fuerza típica de aislamiento de
vuelta a vuelta de un motor 4160V está sobre 34KV. Con el tiempo el
aislamiento se deteriora debido al proceso de desgaste térmico
normal. El exceso de contaminación y el énfasis mecánico causarán
un deterioro más rápido. Esto continuará hasta que finalmente el
aislamiento se haya deteriorado a un nivel que es afectado por las
cargas (ver la figura 3).
Figura
3-
Deterioro
del
aislamiento
En
este momento cada carga tendrá como resultado un arco que causa más
deterioro al aislamiento. Cuándo el aislamiento de vuelta a vuelta
se erosiona a un nivel al voltaje operacional, los conductores se
soldarán causando la falla rápidamente debido a la alta corriente
inducida. (Ver la figura 4).
Figura 4 - Rápido Deterioro del aislamiento una vez que se
identifico el defecto
¿Prueba de Alto Voltaje?
De
las cuatro pruebas revisadas en este artículo, sólo dos son
consideradas para ser de "alto voltaje". Es importante entender lo
que cada una de estas pruebas pueden y no pueden hacer. Es la
combinación de las pruebas correctas que ayudarán a encontrar la
meta.
Prueba de Resistencia del Aislamiento
Desarrollada a inicios del siglo XX, la prueba de resistencia de
aislamiento (infrarrojo) es la más vieja y la más difundida y
utilizada para valorar la calidad del aislamiento a tierra. En esta
prueba, el marco motriz es aterrizado, y el instrumento de la prueba
(megohmmetro) impone un voltaje de DC en los bobinados motrices. La
lectura de salida del instrumento es proporcionada en megaohmios.
El
sonido de un bobinado rinde una lectura de salida en centenares, o
en miles, de megaohmios. Para el embobinado aleatorio y la mica
asfáltica el estándar "ANSI/IEEE 43 del IEEE recomendaciones para la
Práctica para Prueba de la Resistencia de Aislamiento para máquinas
rotatorias" prescribe 1 megaohmio más 1 megaohmio por KV del rango
de voltaje del motor como una lectura mínima aceptable. 100μ
para los modernos embobinados son aceptables. Por ejemplo, la
resistencia aceptable mínima para un motor 460V es 1,46 megaohmios.
La prudencia, sin embargo, dicta que el motor debe de ser retirado
del servicio para la reconstrucción del bobinado mientras que el
bobinado a tierra esta aun por encima del valor aceptable mínimo.
Las
lecturas de la prueba de infrarrojo son sumamente sensibles a la
temperatura y la humedad. Para lecturas exactas y significativas, la
prueba debe ser realizada cuando el motor ha estado fuera de
servicio por un período de tiempo suficientemente largo para haber
alcanzado la temperatura ambiente. Para impedir la condensación, la
temperatura debe estar encima del punto de rocío. Las lecturas
infrarrojas obtenidas entonces deben ser corregidas a una
temperatura uniforme de acuerdo con las tablas en las formulas del
IEEE 43. Esta prueba es solo una prueba de aislamiento a tierra y no
tiene valor para determinar la calidad del aislamiento de la vuelta
a vuelta.
Prueba
del
Índice de
Polarización
Esta prueba de diez minutos de DC es realizada en un voltaje
inferior que la prueba de voltaje máximo de acuerdo con IEEE43. Para
más información de niveles exactos de voltaje ver la tabla
disponible en IEEE43. Una lectura del megaohmio es tomada en un
minuto y otra vez en diez minutos para determinar la elasticidad del
aislamiento a tierra. Cuándo es colocado en un campo eléctrico, las
moléculas del aislamiento a tierra se deben alinear con ese campo.
(Ver la figura 5) Si el aislamiento presenta desgaste, dureza, y
esta quebradizo, ninguna polarización puede ocurrir.
Figura
5 – Cálculos involucrados en el Índice de Polarización
El
Índice de Polarización es la proporción de la lectura de la
resistencia del aislamiento de diez minutos dividida por la lectura
de un minuto. Sobre el período de 10 minutos esta lectura debe
aumentar por un factor de dos o más dando un "PI" de dos o más. Si
el aislamiento es muy quebradizo el índice de polarización será uno
o poco de uno, indicando que la polarización no sucedió (ver la
figura 6). Esta prueba también sólo ve el aislamiento de tierra y no
verá los problemas en el aislamiento de vuelta a vuelta.
Figura
6 – Como trabaja la prueba de Índice de Polarización
Prueba de Alto Potencial DC (HiPot)
La
primera de las dos pruebas de "alto voltaje", la prueba de DC HiPot
puede destapar las debilidades del aislamiento que quizás no
necesariamente fueron detectadas en un procedimiento infrarrojo ni
en el de PI. Además de medir la resistencia general del aislamiento
a tierra, proporciona información en la fuerza dieléctrica del
aislamiento. En este sentido, puede detectar las debilidades del
aislamiento que son probables de fallar a tierra si esta sujeta a
las cargas de alto voltaje transitorias que ocurren comúnmente en
sistemas industriales de energía.
Con
esta prueba, el marco motriz es aterrizado, y un voltaje de DC es
aplicado gradualmente en incrementos hasta el máximo del voltaje
recomendado de la prueba IEEE Std 95 "Práctica Recomendada para
Probar el Aislamiento de AC en maquinaria grande rotatoria con Alto
Voltaje dirigido" recomienda el voltaje máximo de la prueba en 1,5 X
1,7 Vline X. En cada paso hasta este voltaje, la corriente de merma
en micro amperes es leída y graficada contra el voltaje
correspondiente de la prueba de DC.
El
gráfico resultante debe ser una línea recta. La magnitud de la
corriente de merma y la cuesta resultante de la línea no es la única
consideración. El criterio de importancia es que el gráfico es, de
hecho, una línea recta. Un auge brusco en el ascenso del gráfico
indica un desperfecto del aislamiento. La prueba debe ser abortada
inmediatamente para prevenir que el bobinado falle bajo la prueba.
El motor puede regresar al servicio, pero el reacondicionamiento del
bobinado o su reemplazo debe ser planificado a la brevedad.
El
número de pasos distintos en los que la prueba es realizada es
opcional. Sin embargo, tomando más pasos en rendimientos más
pequeños de incrementos de voltaje se obtienen mejores resultados y
aminora la posibilidad de que la prueba de voltaje se pasa de la
raya. La mayoría de los juegos de prueba de alto potencial
incorporan interruptores de sobrecarga para proteger el bobinado si
una debilidad es detectada. El más sensible de estos circuitos
protectores puede operar cuándo la merma de corriente es tan baja
como un micro ampere. El DC HiPot es también una prueba que sólo
mira la tierra de pared y es de ningún valor para el aislamiento de
la vuelta a vuelta.
Prueba de Carga
Aunque la prueba de comparación de carga fue desarrollado hace más
de 80 años, es la prueba clásica más nueva realizadas para
determinar la condición del aislamiento del bobinado. Esta prueba
detecta los defectos de la vuelta a vuelta, rollo a rollo, y fase a
fase que no pueden ser descubiertos por otros métodos.
La
Prueba de comparación de carga se basa en la premisa del principio
que en un estator sin ningún defecto del bobinado, las 3 fases del
bobinado son idénticas. Esto es útil para el estator de forma de
bobina sin rotores instalados. Cada fase es probada contra las otras
– A-B, B-C, y A-C. El instrumento de la prueba impone un pulso breve
de voltaje en la fase que experimenta la prueba y se reflejan pulsos
en la pantalla del osciloscopio de instrumento. Si dos bobinados son
idénticos (como debe ser), las imágenes reflejadas son idénticas y
aparecen como una sola huella.
Figura 7 – Toma de la imagen de la pantalla – Prueba de carga con
lecturas anidadas
Este método de comparación ha sido utilizado en talleres motrices
que reparan motores por más de 40 años. Cuando se usa un probador de
carga como un instrumento predictivo de mantenimiento, la prueba no
requiere la comparación de dos formas de onda. Una prueba más
sencilla es realizada que busca un cambio a la izquierda por la
forma de ondas de la fase que esta siendo probada. Este cambio
indica que la fuerza dieléctrica del aislamiento de la vuelta a
vuelta ha empeorado a un nivel debajo de las cargas de conmutación.
Una vez que el aislamiento se ha debilitado a este punto, se
necesitan tomar las decisiones con respecto al futuro del motor. Con
la actual tecnología digital es posible adquirir los datos de la
fase bajo la prueba en varios niveles de voltaje y juntarlos. Esta
técnica es valiosa en detectar y documentar este cambio a la
izquierda.
Conclusión
Al
probar un sistema de aislamiento de motor, es importante que se
realicen las pruebas correctas. El entender que el motor muestra
voltajes de hasta 5pu, es importante que el sistema de aislamiento
sea capaz de manejar el estrés más alto que su voltaje de operación
normal. Como se mostró en este artículo, si la prueba de alto
voltaje no es realizada, es casi imposible detectar el aislamiento
débil anticipado a la falla.
De las cuatro pruebas discutidas en este artículo tres conciernen al
aislamiento a la tierra de pared sin ninguna consideración para la
vuelta a vuelta. La prueba de carga es la única prueba que mira el
aislamiento de vuelta a vuelta. El aislamiento de vuelta a vuelta es
la causa primordial de un alto número de fallas eléctricas. Esta
prueba simula características de una carga en el arranque,
haciéndola una prueba apropiada para el descubrimiento prematuro de
un aislamiento débil.
Referencias:
1. Schump, David E., “Predict Motor Failure With Insulation Testing,
“Plant Engineering Magazine, September, 1996.
2. Zotos, Peter A., Member IEEE, Motor Failures Due to Steep Front
Switching Surges: The Need for Surge Protection User’s Experience, “
IEEE Transactions on Industrial Applications, Volume 30, Number 6,
Nov/Dec 1994.
3. Kema, N.V., Arnhem The Netherlands, H.G. Tempelaar, “Determining
of Transient Over Voltages Caused by Switching of High Voltage
Motors.”
4. Crawford, D.E., General Electric company, “Mechanisms of Motor
Failures.”
5. Christiansen, K.A. and Pederson, A., “An Experimental Study of
Impulse Voltage phenomena In A Large AC Motor.”
Curt Lanham es
presidente
de Baker Instrument Company, a manufacturer of on-line monitoring
and off line motor test equipment.
Miembro de la IEEE y graduado de la Universidad de Missouri Western,
Curt ha trabajado en la industria del mantenimiento predictivo en
los últimos 16 años. A impartido seminarios en estas materias en más
de 10 países y a través de los Estados Unidos de América.
Curt
puede
ser
contactado
en clanham@bakerinst.com
