Pruebas de diagnóstico offline del aislamiento del devanado del estator

Muchos usuarios finales, fabricantes y organizaciones de servicios emplean ahora de forma habitual algún tipo de tecnología de monitoreo en línea, por ejemplo, descargas parciales (PD), como componente importante de un programa de mantenimiento predictivo o basado en el estado. El uso generalizado y creciente de estos métodos ha llevado a algunos miembros del sector a cuestionar la utilidad de realizar pruebas de diagnóstico fuera de línea para evaluar el estado del aislamiento del devanado del estator si disponen de monitoreo en línea.

Tradicionalmente, muchas empresas de servicios públicos aprovechaban las interrupciones importantes del servicio para realizar una o varias de estas pruebas fuera de línea; sin embargo, debido a las presiones económicas, el intervalo entre estas interrupciones ha aumentado considerablemente. En el pasado, la frecuencia de las interrupciones en las que se retiraba el rotor era de unos cinco a seis años; sin embargo, en la actualidad, los intervalos de 10 a 12 años se han convertido en algo habitual. Además, muchos directores de planta se muestran reacios a permitir las pruebas eléctricas por temor a que estas puedan dañar el devanado, a pesar de que la tensión aplicada en la gran mayoría de las pruebas se limita a la tensión nominal de funcionamiento entre línea y tierra. A continuación, analizaremos la función que deben desempeñar las pruebas fuera de línea, las pruebas más utilizadas y su aplicación adecuada. Solo se analizan las pruebas cubiertas por las normas IEEE o IEC, y se excluyen las pruebas de alta tensión de CA y CC, ya que se trata de pruebas de tipo «pasa/no pasa» con un valor diagnóstico relativamente escaso.

Resistencia de aislamiento e índice de polarización

La medición de la resistencia de aislamiento es una de las pruebas más básicas y comúnmente utilizadas en la industria. La prueba consiste en aplicar una tensión de CC prescrita a través del aislamiento de la pared de tierra y, basándose en la corriente de fuga, se obtiene el valor de resistencia después de un minuto de aplicación de tensión.

El índice de polarización se obtiene realizando una nueva medición de la resistencia de aislamiento a los 10 minutos y dividiendo este valor por el medido después de 60 segundos. Estas pruebas se rigen por la norma IEEE 43, que especifica, entre otros muchos factores, la tensión aplicada adecuada (dependiendo de la tensión nominal de la máquina), así como los criterios de aceptación para la resistencia de aislamiento y el índice de polarización.

Hasta hace poco, no existía una norma IEC equivalente para este tipo de pruebas; sin embargo, esta situación cambiará en 2016 o 2017 con la inminente publicación de la norma IEC 60034-27-4. Por lo general, estas pruebas se utilizan para determinar si el devanado del estator es apto para someterse a pruebas de diagnóstico adicionales que implican altos voltajes o para verificar una falla a tierra en caso de alarma o disparo.

Aunque el contenido diagnóstico de una prueba de resistencia de aislamiento se ha considerado limitado debido a la sensibilidad a las corrientes de fuga superficiales, la última versión de la norma IEEE 43 incluye orientaciones sobre métodos de interpretación más sofisticados que pueden proporcionar información sobre el estado general del aislamiento. Si la máquina se apaga para su mantenimiento, se recomienda encarecidamente realizar esta prueba.

Capacitancia y factor de disipación

Las mediciones de capacitancia y factor de disipación han sido utilizadas habitualmente por los fabricantes durante décadas como medio para evaluar la calidad y la uniformidad de las barras y bobinas individuales del estator. La prueba del factor de disipación pertenece a la amplia gama de mediciones de pérdida dieléctrica y también se conoce comúnmente como prueba de tangente delta o factor de potencia.

El factor de potencia es la cotangente del ángulo de pérdida (delta), mientras que el factor de disipación representa la tangente. Con valores bajos del ángulo de pérdida, la tangente y la cotangente son prácticamente iguales. Cuanto mayor sea la pérdida dieléctrica en un material aislante, mayor será el factor de disipación. Los defectos en un sistema de aislamiento, como los huecos y la delaminación, dan lugar a descargas parciales, que son un mecanismo de pérdida. Por lo tanto, las mediciones del factor de disipación pueden utilizarse para determinar el contenido de huecos de un sistema de aislamiento. A diferencia de una prueba de descarga parcial, el factor de disipación también incorpora información sobre el sistema de aislamiento a granel. Por lo tanto, puede que no exista una correlación exacta entre los resultados obtenidos de las pruebas de DP y de factor de disipación. A menudo, el factor de disipación se obtiene a dos voltajes diferentes, por ejemplo, al 25 % y al 100 % del voltaje nominal de funcionamiento entre línea y tierra, para derivar el factor de disipación tip-up.

A menor voltaje, se supone que el sistema de aislamiento no está sujeto a descargas parciales. Por lo tanto, el aumento se utiliza como un medio para diferenciar entre los efectos debidos al volumen y los defectos, como los huecos. Esta prueba se rige por la norma IEEE 286 y la recientemente publicada IEC 60034-27-3. Ambos documentos orientan la realización de la prueba; sin embargo, la norma IEC también incluye criterios de aceptación para barras y bobinas de estator individuales, que, para algunos, son controvertidos. Debido a las complicaciones causadas por los componentes de clasificación de tensión en máquinas de 6,6 kV y superiores, no se dispone de dichos criterios para las mediciones realizadas en bobinados de estator completos. Por lo tanto, con la amplia disponibilidad de pruebas de descarga parcial en línea o fuera de línea, esta prueba está perdiendo popularidad como prueba de mantenimiento.

Descarga parcial

Las mediciones de descarga parcial fuera de línea se emplean para proporcionar información sobre el contenido de huecos del sistema de aislamiento. A diferencia de la medición del factor de disipación, que promedia espacialmente el resultado de la prueba, una prueba de descarga parcial es sensible a los huecos de mayores dimensiones (que son los que más preocupan).

Cuando una prueba de descarga parcial en línea o fuera de línea indica magnitudes de descarga parcial anormalmente altas, se puede utilizar una prueba con sonda corona (o TVA) para ayudar a identificar la ubicación de esta actividad. La prueba de descargas parciales también es útil para descubrir otros defectos, como la contaminación de la superficie y las distancias inadecuadas entre fases. La identificación de estos problemas que se producen en las regiones de los extremos de los devanados de las máquinas se ve facilitada en gran medida por el empleo de técnicas adicionales, como cámaras corona (ultravioletas), sondas corona y sondas ultrasónicas. En las normas IEEE 1434 e IEC 60034-27 se ofrece una amplia orientación sobre los métodos de prueba de descargas parciales fuera de línea. Si se comparan las pruebas de descargas parciales en línea con sus homólogas fuera de línea, existen muchas ventajas en realizar la prueba mientras la máquina está en funcionamiento. Entre ellas se encuentran:

• La distribución de la tensión es correcta
• El devanado del estator se encuentra a una temperatura elevada
• Las fuerzas de la bobina/barra están presentes

En resumen, existen varios mecanismos de defectos, por ejemplo, devanados sueltos, que no pueden detectarse mediante una prueba de DP fuera de línea. Además, a menudo los resultados de las mediciones fuera de línea deben tratarse con cierta precaución, ya que pueden ser pesimistas en relación con las condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, las pruebas de descargas parciales fuera de línea de máquinas refrigeradas por hidrógeno se realizan casi siempre en aire a presión atmosférica, lo que produce descargas parciales mucho más elevadas. Sin embargo, si se considera que estos resultados serían el peor de los casos, los datos obtenidos siguen teniendo valor. Una ventaja significativa que ofrecen las pruebas de DP fuera de línea es que el operador de la prueba tiene control sobre la tensión aplicada. En consecuencia, a pesar de la interferencia eléctrica de fondo siempre presente (que es un problema importante para las pruebas en línea), la actividad de descarga parcial (si existe) normalmente se puede observar a medida que varía la tensión aplicada. Además, se pueden medir las tensiones de inicio y extinción de la descarga, lo que proporciona más información sobre si la actividad de descarga parcial puede ser un problema durante el funcionamiento.

Resumen

Aunque la experiencia hasta la fecha indica que los métodos de monitoreo de condiciones en línea, como las descargas parciales, son eficaces para proporcionar información sobre el estado del aislamiento del devanado del estator, las pruebas fuera de línea siguen desempeñando un papel importante. Además de verificar los resultados de las pruebas en línea, las pruebas de diagnóstico fuera de línea, especialmente cuando se utiliza más de una técnica, proporcionan información adicional en la que basar las decisiones de mantenimiento.