Drew Norman, Applications Engineer, Megger Baker
A los profesionales del mantenimiento encargados de llevar a cabo las labores pertinentes para preservar la fiabilidad de los motores eléctricos a menudo les preocupan las mediciones en equipos vitales en las que se utilizan tensiones muy superiores a las indicadas en la placa de características. Puede parecer contradictorio efectuar medidas a 2000 V en motores de 460 V, o de 9320 V en motores de 4160 V. A fin de cuentas, ¿no es cierto que los motores están indicados para estos voltajes nominales más reducidos?
Algunos de ellos incluso han sufrido averías en un motor posteriores a la realización de una medida de onda de choque o rigidez dieléctrica a estos valores de tensión tan elevados. Estas incidencias pueden incluso alimentar la duda sobre el uso de mediciones de alta tensión como técnica de evaluación válida para labores de revisión.
En primer lugar, estudiaremos las tensiones de funcionamiento que deben soportar los sistemas de aislamiento de motores, para posteriormente describir las características intrínsecas del deterioro y la avería de estos. Seguidamente, analizaremos de manera general las medidas de seguridad dispuestas en los equipos de medición de alta tensión actuales para que los profesionales encargados de las tareas correspondientes se sientan más cómodos aplicándolos.
La importancia de las especificaciones de las placas de características
Cada uno de los motores diseñados para aplicaciones industriales se ha diseñado conforme a unos criterios concretos en lo que a características técnicas respecta. Estos parámetros, indicados en la placa de características, disponen las características de funcionamiento correspondientes para el motor durante su funcionamiento. Es importante que los valores de tensión y corriente de los motores se mantengan dentro de un intervalo concreto, conforme a los datos de esta placa. Un exceso de corriente del 115 % podría saturar el núcleo de hierro del estátor y provocar a continuación un calentamiento excesivo del sistema de aislamiento del motor y la avería de este último.
Por el contrario, una tensión insuficiente provoca flujos de corriente superiores a los normales durante una determinada cantidad de energía suministrada por el eje. Estas situaciones también dan pie a un recalentamiento, con el consiguiente deterioro del aislamiento. Las incidencias de este tipo son igual de dañinas para el sistema de aislamiento que las sobrecargas, como consecuencia de la carga térmica adicional que deben soportar los devanados del motor. Es por ello que es de vital importancia que el motor trabaje en valores de tensión próximos a los indicados en esta placa de características.
"La investigación ha demostrado que los voltajes inducidos en los devanados de los motores pueden llegar a cuadruplicar los valores de tensión nominales de los nudos".
Interpretar la tensión indicada en la placa de características
Es importante saber que el valor de tensión indicado en la placa de características no hace referencia al valor de tensión nominal de su aislamiento. En realidad, este último depende de la tensión de ruptura.
La tensión de ruptura del aislamiento es el valor que en caso de superarse, provoca una ruptura eléctrica del material aislante. Una vez alcanzada la tensión de ruptura correspondiente, un aislamiento deja de poder soportar la carga de tensión que se le aplica y el valor de resistencia cae a cero. En estas circunstancias, habrá un flujo de corriente muy elevado por el material aislante, que acabará por averiarlo.
El de tensión de ruptura es un valor independiente que está relacionado con el aislamiento y no con el de la placa de características del motor. Si un motor está diseñado para una determinada tensión de funcionamiento, el aislamiento lo está para soportar valores notablemente superiores al nominal de los nudos.
Las causas son diversas; no obstante, la más importante es que la carga de tensión aplicada a los devanados durante la apertura de los contactos puede cuadruplicar la aplicada de los nudos. Si los motores solo contasen con el suficiente aislamiento como para soportar el valor de tensión de la placa de características, se averiarían en cuanto se los pusiera en servicio.
Estudios científicos de campo han demostrado que los valores de tensión inducidos en los devanados de los motores durante los transitorios de conmutación pueden cuadruplicar el nominal indicado en la placa de características.
Figura 1: En la siguiente tabla se indican los valores de carga de tensión relativa para diferentes tensiones nominales de nudos (imagen cedida por IEEE, 2002)
Tensión de ruptura del aislamiento
Al principio de su vida útil, los motores cuentan con un valor muy elevado de tensión de ruptura del aislamiento. En este momento, y por diseño, la tensión de ruptura del sistema de aislamiento de un motor de 460 V alcanzará los 28 000 V a tierra y los 16 800 entre espiras. De esta forma, el aislamiento dispondrá de un prolongado margen para deteriorarse sin que la integridad del aislamiento o la fiabilidad se vean afectadas.
Durante su ciclo de vida, el motor se verá expuesto a diversos factores ambientales, incluidos la fricción mecánica, la exposición a sustancias químicas y la carga térmica. Con el paso del tiempo, estos factores provocan el deterioro del material aislante. La velocidad con la que tiene lugar este deterioro depende de la envergadura de dichos factores, el más relevante de los cuales es la carga térmica.
Figura 2: Curva de la vida útil del aislamiento
Una vez que el valor de tensión de ruptura del aislamiento del motor se reduce por debajo del valor de carga de tensión máxima indicado en la figura 2, el motor habrá alcanzado las últimas etapas de su vida útil. En este momento, se habrá consumido la mayor parte de la vida útil del aislamiento del motor y debe programarse una sustitución en cuanto las circunstancias lo permitan.
La importancia de las mediciones de alta tensión en motores
La capacidad de determinar en qué estado se encuentra un aislamiento y de calcular su capacidad de soportar las cargas de tensión generadas por su funcionamiento normal es de vital importancia a la hora de establecer su grado de fiabilidad. Es por ello que las mediciones de alta tensión son tan importantes. Ser capaz de determinar que el motor ha alcanzado la etapa final de su vida útil es la clave de un programa eficaz para la fiabilidad de los motores eléctricos. Si no se llevan a cabo estas mediciones predictivas, el motor se averiará de improviso, como consecuencia de haber efectuado únicamente mediciones de baja tensión a ciegas.
"Las medidas también pueden indicar una respuesta no lineal de la corriente, lo que es indicativo de que el aislamiento se aproxima al término de su vida útil".
Mediciones de resistencia del aislamiento
El sistema de aislamiento de un motor cuenta con dos barreras principales que deben tenerse en cuenta: el aislamiento principal débil y las capas de aislamiento entre espiras. Los procedimientos de medición del aislamiento comienzan con una serie de medidas de CC en el aislamiento principal débil. La primera de ellas es la medida de la resistencia del aislamiento. Se trata de una medida de un minuto de duración que permite cuantificar el valor de resistencia del aislamiento y que se realiza a tensiones próximas a la indicada en la placa de características o por debajo de esta.
La medición de resistencia de aislamiento se dispone en la Norma 43 del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Esta es una medida de carácter nominal, que no está diseñada para suponer carga alguna en el aislamiento. En motores con valores de tensión más altos, esta medida se lleva a cabo a voltajes inferiores al que figura en la placa de características. Su finalidad es la de medir la corriente de fuga a un valor de tensión de CC que no suponga carga, con lo que puede calcularse la resistencia del aislamiento (conforme a la ley de Ohm: R = V/I). Resulta de utilidad sobre el terreno a modo de estimación de los efectos que suponen la contaminación y la humedad en el circuito de un motor.
Esta medida puede prolongarse hasta los 10 minutos para analizar de manera más exhaustiva la contaminación, además de la humedad. En el caso de tratarse de devanados limpios de tipo seco, también permite determinar la capacidad polarizante del aislamiento del motor, la cual es indicativa de la antigüedad y el grado de deterioro del material aislante.
Figura 3: Niveles de carga obtenidos a partir de tensión de medida1
Medición de Hipot
La siguiente medida de CC es la de potencial alto o "Hipot". Debe cumplir con las disposiciones de la Norma 95 del IEEE y puede llevarse a cabo de distintas formas. El más eficaz de estos métodos es la denominada medida de tensión de paso. Se trata de una medida de la resistencia del aislamiento en la que la tensión de medida aumenta paso a paso a fin de evaluar el cambio resultante que se produce en la corriente de fuga.
La tensión de medida final que se recomienda utilizar para las medidas de paso de CC es de 2 veces la tensión de la línea + 1000 V, con un mínimo de cinco pasos. Estos pasos permiten evaluar la respuesta de la corriente de fuga a los incrementos de tensión. Dado que la tensión aumenta por pasos, la corriente de fuga también debe hacerlo de manera lineal. De este modo, se verifica que la resistencia del aislamiento permanece constante a estos mayores valores de tensión. La tensión de medida recomendada varía entre un valor de 5 por unidad y 2,5 por unidad, como se indica en la tabla de la figura 3.
Si la resistencia permanece estable durante todos los pasos, se verifica que el aislamiento principal débil es apto para un funcionamiento fiable y continuado.
No obstante, puede producirse un fallo en esta medida como consecuencia de un exceso de corriente o de la presencia de un arco. Esta situación es indicativa de la relación exacta entre la tensión de ruptura del aislamiento y la tensión de los nodos. Además, también señala claramente que el aislamiento habrá llegado al final de su vida útil.
Las medidas también pueden indicar una respuesta no lineal de la corriente, lo que es indicativo de que el aislamiento se aproxima al término de su vida útil. De este modo, la persona encargada de planificar el mantenimiento dispone del debido tiempo para programar la sustitución del motor2.
"La carga de alta tensión que se aplica diariamente al motor
como consecuencia de la actividad normal de conmutación es notablemente más destructiva que la que suponen cualquier medida de onda de choque o
Hipot debidamente regulada".
Mediciones de onda de choque
Además del aislamiento débil, el motor también cuenta con un sistema de aislamiento entre espiras. Se trata del aislamiento que se encuentra entre los distintos ramales de hilo de una bobina, el aislamiento situado entre bobinas adyacentes y el material aislante entre los puntos de convergencia entre fases del sistema de devanado.
En el momento de producirse ondas de choque de conmutación, estas barreras de aislamiento entre espiras se ven sometidas a carga como consecuencia de la propia naturaleza inductiva de los devanados del motor. La caída de tensión entre espiras no está distribuida linealmente y supone una mayor carga en aquellas espiras que se encuentran más próximas a los cables del motor. Los cortocircuitos que tienen lugar en las espiras generan valores elevados de corriente inducida en los circuitos cerrados cortocircuitados, lo que a su vez provoca averías en el aislamiento por derivación a tierra o a fase3.
A menudo se observa que las averías por derivación a tierra y entre fases de los devanados se originan a causa de cortocircuitos en el aislamiento entre espiras. Es por ello que las mediciones de onda de choque son una de las indicaciones más claras del deterioro temprano de un aislamiento. Mediante una medida de onda de choque se simula la misma carga que tiene que soportar el devanado de un motor durante un ciclo de conmutación normal. Una evaluación continua de la estabilidad de la onda de choque permite detectar variaciones en la frecuencia de las formas de onda de choque y a la vez limitar la circulación de energía una vez detectada la debilidad.
Si bien estas medidas no son en absoluto novedosas, los correspondientes métodos de medición, evaluación y control sí son relativamente nuevos. Las empresas dedicadas a los ensayos y mediciones eléctricos ahora son capaces de efectuar medidas en instrumentos aprovechando las capacidades de monitorización de sus ordenadores incorporados para evaluar y controlar de manera continua los valores de tensión y corriente, además de para interrumpir las mediciones de inmediato en caso de encontrar irregularidades.
Anteriormente, los equipos de medida de onda de choque necesitaban que el técnico detuviera la medida en el momento en el que se produjeran anomalías. Los equipos cuentan con controles y supervisión continua de las mediciones, con lo que permiten reducir al mínimo el peligro de pirólisis del aislamiento que puede producirse durante las mediciones. De este modo, no solo se garantiza la máxima precisión y la mejor repetibilidad, sino que también se disipa cualquier duda relacionada con la sobrecarga del aislamiento.
"Demasiados arranques del motor, las deficiencias de calidad de la energía y la sobrecarga son métricas controlables que pueden tener un mayor efecto destructivo para los equipos que el que supone cualquier medida de alta tensión".
¿Son destructivas las mediciones de Hipot y onda de choque?
A menudo se pregunta si las mediciones de Hipot y onda de choque son destructivas y a menudo existe sorpresa al conocer que la respuesta es que sí: efectivamente, pueden serlo, en caso de que se produzca deterioro de los devanados. No obstante, en caso de que no se produzca este deterioro, no lo son.
La única manera de que se provoque deterioro del aislamiento es por el paso de un exceso de carga por material debilitado. Si el aislamiento se encuentra en buen estado, no debe ocurrir.
Si el aislamiento se deteriora, la circulación de corriente por este puede amplificar la pirólisis que ya se hubiera producido. Puesto que esta medida se lleva a cabo de forma regulada, se reduce al mínimo cualquier posible pirólisis que pudiera producirse, con lo que el motor puede continuar utilizándose hasta que se encuentre un recambio apto. Si el aislamiento ya estuviera deteriorado, las mediciones de alta tensión no provocarían más daños de los que ya se producen de manera natural en un ciclo de arranque4.
"Los datos demuestran claramente que no existe correlación alguna entre el valor de resistencia del aislamiento a tensiones bajas que no provocan carga y la capacidad de un aislamiento de soportar cargas de alta tensión".
El hecho más importante que debe tenerse en cuenta es el siguiente: la carga de alta tensión que se aplica diariamente al motor como consecuencia de la actividad normal de conmutación es notablemente más destructiva que la que suponen cualquier medida de onda de choque o Hipot debidamente regulada. Demasiados arranques del motor, las deficiencias de calidad de la energía y la sobrecarga son métricas controlables que pueden tener un mayor efecto destructivo para los equipos que el que supone cualquier medida de alta tensión.
Las medidas periódicas que se efectúen en aislamientos con un control de precisión y a menores valores energéticos son uno de los fenómenos menos perniciosos que sufre un motor a lo largo de su vida útil. Es importante tener en cuenta que cuando las debilidades de un aislamiento se acentúan como consecuencia de la tensión de golpe inductivo generada como consecuencia del funcionamiento del contactor de un motor, toda la energía del sistema de distribución es susceptible de pirolizar los devanados5. Durante la realización de mediciones de Hipot y onda de choque, los valores de energía son de apenas una fracción de los que se producen durante las operaciones de conmutación normales de un motor.
Experimentos con tensión de ruptura
Una empresa de ensayo y medición eléctrica llevó a cabo hace poco una serie de experimentos con tensión de ruptura a fin de demostrar la resistencia de diversos materiales. Efectuó mediciones en muchos objetos comunes, como hojas de plantas, cinta aislante de tubos y cables, materiales aislantes e incluso papel higiénico. Por medio de una medida de resistencia de aislamiento a 500 V, observó que el papel higiénico de dos capas presenta un valor de resistencia de aislamiento de 2000 megaohmios, mientras que el cable de corriente normal de un ordenador apenas tenía un valor de 260 megaohmios.
En la medida de Hipot de tensión de paso, observó que la tensión de ruptura del papel higiénico era de 2000 V, mientras que el cable de corriente era capaz de soportar los 30 000 V de la fuente de alimentación sin averiarse en ningún momento.
Los datos demuestran claramente que no existe correlación alguna entre el valor de resistencia del aislamiento a tensiones bajas que no provocan carga y la capacidad de un aislamiento de soportar cargas de alta tensión. No es posible evaluar la capacidad de un aislamiento de soportar una elevada carga de tensión (para lo cual está diseñado) mediante una sencilla medición de CC de baja tensión.
Condiciones de pseudo-medición
Se sea consciente de ello o no, se llevan a cabo mediciones de Hipot y onda de choque en motores con mucha más frecuencia de lo que los propietarios piensan. Cada arranque y cada parada de un motor son en esencia medidas de Hipot y onda de choque en las que existe una energía ilimitada capaz de dañar el devanado. Las mediciones que se efectúen con medidores estáticos son una manera de simular la misma carga con un valor de energía reducido y de forma muy controlada. Aunque las mediciones de resistencia del aislamiento de baja tensión cumplen un papel importante, no son en absoluto adecuadas para evaluar la integridad de un aislamiento ni validar su fiabilidad. Con toda esta información, resulta sencillo comprender la importancia que tiene la medición de aislamientos a altas tensiones y su capacidad de garantizar la máxima fiabilidad de los equipos.
Bibliografía
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. y 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 de 2002.
4. Gupta, B. K., Stone, G. C. y Stein, J. "Use of Machine Hipot Testing in Electric Utilities". Proceedings: Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing and Coil Winding Conference, Cincinnati (Ohio), 2001, págs. 323-326.
5. Wilson, John. "Stored Energy in a Motor". Nota técnica, Baker Instrument Company, 2006.
Drew Norman es el técnico encargado de las tareas de asistencia en formación sobre productos y aplicaciones de Megger. Antes de empezar a trabajar en Megger hace 12 años, Drew trabajó ocho años en General Electric, donde desempeñó distintas funciones, entre las que se encuentran las de técnico de mantenimiento predictivo, especialista en alternadores de motores, director de operaciones en establecimiento y coordinador de programas de gestión de equipos. Drew es exsoldado de la Marina estadounidense, donde trabajó ocho años como electricista de campo y operario de equipos nucleares en el servicio submarino.