Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE – 0502 Proyecto Eléctrico DESARROLLO DE UN PLAN DE PRUEBAS ELÉCTRICAS PARA EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO DE GENERADORES SINCRÓNICOS Por: JOSÉ GUSTAVO MELÉNDEZ NARANJO Ciudad Universitaria Rodrigo Facio DICIEMBRE del 2009 DESARROLLO DE UN PLAN DE PRUEBAS ELÉCTRICAS PARA EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO DE GENERADORES SINCRÓNICOS Por: JOSÉ GUSTAVO MELÉNDEZ NARANJO Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: _________________________________ Ing. Gustavo Adolfo Gómez Ramírez. Profesor Guía _________________________________ Ing. Max Alberto Ruiz Arrieta. Profesor lector _________________________________ Ing. José Mario Jara Castro. Profesor lector ii DEDICATORIA A mis padres cuyo ejemplo, apoyo, cariño y paciencia son inspiración para ser una mejor persona cada día. iii RECONOCIMIENTOS Un agradecimiento a los personeros del LIMAT y en especial al Ing. Gustavo Adolfo Gómez Ramírez por sus consejos y guía, además cuya experiencia en el campo de las pruebas eléctricas demostró ser parte fundamental durante el desarrollo de este trabajo. Al Ing. Edward Astúa Fernández de la planta Río Macho por el tema de este proyecto, a los Ingenieros Max Ruiz Arrieta y José Mario Jara Castro profesores lectores por su tiempo y paciencia. iv ÍNDICE GENERAL DEDICATORIA .......................................................................................... iii RECONOCIMIENTOS ............................................................................... iv ÍNDICE GENERAL ...................................................................................... v ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................. viii ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................... x NOMENCLATURA ..................................................................................... xi RESUMEN................................................................................................. xiii CAPÍTULO 1: Introducción......................................................................... 1 1.1 Justificación: ...........................................................................................................1 1.2 Objetivos .................................................................................................................2 1.2.1 Objetivo general .................................................................................................. 2 1.2.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 2 1.3 Metodología ............................................................................................................3 CAPÍTULO 2: Principios básicos de las máquinas rotativas ..................... 4 2.1 Ley de inducción electromagnética de Faraday ......................................................4 2.2 Ley de Ampere-Biot-Savart sobre las fuerzas electromagnéticas inducidas. .........5 2.3 Ley de Lenz de acción y reacción ...........................................................................6 2.4 Conversión electromecánica de la energía ..............................................................7 2.5 La máquina sincrónica ............................................................................................8 2.6 Pruebas eléctricas a generadores síncronos .......................................................... 10 CAPÍTULO 3: Resistencia del aislamiento [3]. ........................................... 14 3.1 Índice de polarización ........................................................................................... 16 3.2 Factores que afectan la resistencia de aislamiento................................................ 17 3.3 Conexión de los devanados a la hora de realizar la prueba .................................. 18 3.4 Métodos de medición ............................................................................................ 18 3.5 Interpretación de resultados .................................................................................. 19 v 3.6 Valores mínimos recomendados ........................................................................... 20 3.7 Índice de polarización mínimo ............................................................................. 20 3.8 Resistencia del aislamiento valores mínimos ....................................................... 20 CAPÍTULO 4: Resistencia Interna [4] ........................................................ 22 4.1 Método de prueba ................................................................................................. 22 CAPÍTULO 5: Descargas parciales [4] [5] [6] [7] [8] ......................................... 25 5.1 Clasificación ......................................................................................................... 26 5.2 Modelado del fenómeno ....................................................................................... 26 5.3 Efectos negativos de las descargas parciales ........................................................ 30 5.4 Detección de las descargas parciales ....................................................................31 5.5 Método de prueba ................................................................................................. 32 5.6 Retos de las mediciones de descargas parciales en máquinas rotativas de alta tensión..... .............................................................................................................................. 34 5.7 Interpretación de resultados .................................................................................. 34 CAPÍTULO 6: Factor de potencia y factor de disipación [4] ..................... 36 6.1 Método de prueba ................................................................................................. 37 6.2 Interpretación de resultados .................................................................................. 38 CAPÍTULO 7: Análisis de la respuesta en frecuencia .............................. 39 CAPÍTULO 8: Espectroscopia dieléctrica ................................................. 43 8.1 Espectroscopia dieléctrica y descargas parciales .................................................. 46 CAPÍTULO 9: Conclusiones ...................................................................... 47 CAPÍTULO 10: Recomendaciones ............................................................. 49 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 51 APÉNDICES ............................................................................................... 53 Apéndice A. Corrección por temperatura de la resistencia del aislamiento. ........................ 53 ANEXOS ...................................................................................................... 55 ANEXO A. Equipos utilizados para las pruebas eléctricas .............................................. 55 ANEXO B. Pasos a seguir al aplicar las pruebas eléctricas ............................................. 60 vi B.1 Resistencia del aislamiento. ........................................................................................... 60 B.2 Resistencia interna. ........................................................................................................ 61 B.3 Descargas parciales. ....................................................................................................... 62 B.4 Factor de potencia y factor de disipación (tan δ). .......................................................... 65 B.5 Análisis de la respuesta en frecuencia (FRA). ............................................................... 66 B.6 Espectroscopia dieléctrica. ............................................................................................. 66 vii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Ley de Faraday en ambas formas, a) Inducción del voltaje por flujo cambiante, b) Inducción del voltaje por movimiento del conductor [1] ..................................................... 4 Figura 2.2 Ley de Ampere-Biot-Savart sobre electromagnetismo, dirección de la fuerza inducida. [1].............................................................................................................................. 5 Figura 2.3 Ley de Lenz, las corrientes inducidas tratarán de cancelar el efecto que las originó. [1] ................................................................................................................................ 6 Figura 2.4 Principio de conversión de la energía, aplicable a las máquinas eléctricas rotativas. [1] .............................................................................................................................. 7 Figura 2.5 Esquemático de la construcción de las máquinas sincrónicas, a) Corte transversal de una máquina de polos salientes, b) Corte transversal de una máquina de polos lisos. [1] .................................................................................................................................... 9 Figura 2.6 Obtención de la onda sinusoidal por medio de un rotor de polos lisos. [2] ......... 10 Figura 3.1 Circuito equivalente, se muestran las cuatro corrientes que se miden durante la prueba de resistencia del aislamiento. [3] .............................................................................. 15 Figura 3.2 Medidas típicas de resistencia para dos estados en los devanados .................... 17 Figura 5.1 Dieléctrico entre dos conductores. [9] ................................................................. 27 Figura 5.2 Circuito de prueba para descargas parciales. [9] .................................................. 27 Figura 5.3 Circuito de prueba tomado las capacitancias para descargas parciales. [9] ......... 28 Figura 5.4 Gráfica de desplazamiento y producción de las descargas parciales. ................ 29 Figura 5.5 Arborecencias producidas en el dieléctrico a causa de las descargas parciales. 31 Figura 5.6 Esquema básico del circuito para la medición de descargas parciales. [9] .......... 32 Figura 5.7 Configuración instrumental de la prueba de detección de descargas parciales. [9] .............................................................................................................................................. 33 Figura 5.8 Representación de las descargas parciales a) con una base de tiempos elíptica b) con una base de tiempos lineal. [9] ......................................................................................... 33 Figura 6.1 a) Circuito equivalente, b) Angulo del factor de disipación .............................. 37 Figura 7.1 Barrido en frecuencia de una máquina, subrayando el significado físico de las lecturas. ................................................................................................................................. 40 Figura 7.2 Circuito base para el desarrollo del modelo que mejor represente la máquina, los efectos del campo eléctrico se modelan por medio de las capacitancias C1 y C12, los arrollamientos son modelados por medio de R1, L1 y R2, L2 y el núcleo se representa por el trafo ideal y Ln y Rn. ............................................................................................................ 41 viii Figura 7.3 Circuito compuesto por diferentes celdas las cuales presentan una respuesta de ancho de banda muy cercana al circuito real ........................................................................ 42 Figura 8.1 Sección de los aislamientos entre devanados con barreras cilíndricas y separadores axiales. [10] ......................................................................................................... 44 Figura 8.2 Modelo XY, módulo utilizado para calcular la respuesta del aislamiento en el transformador. [10] .................................................................................................................. 44 Figura 8.3 Módulo de las redes utilizadas para recrear la respuesta del aislamiento de los devanados. [10] ....................................................................................................................... 45 Figura 8.4 Relación entre los patrones de las descargas parciales y contribuciones a la respuesta dieléctrica a) De naturaleza capacitiva b) Descarga corona arista-plano.[10] ........ 46 Figura A.1 Coeficiente aproximado KT para aislamientos que se reducen a la mitad cada 10ºC de incremento en la temperatura.[3] .............................................................................. 54 Figura B.1 Probador de aislamiento. ................................................................................... 55 Figura B.2 Equipo de medición del factor de potencia y tan δ. ........................................... 56 Figura B.3 Equipo de medición de la respuesta en frecuencia (FRA)................................. 57 Figura B.4 Equipo de medición de la resistencia de los devanados. ................................... 58 Figura B.5 Equipo para realizar la espectroscopia dieléctrica. ............................................ 59 Figura C.1 Esquema básico del circuito para la medición de descargas parciales. [9] ......... 63 Figura C.2 Configuración instrumental de la prueba de detección de descargas parciales. [9] .............................................................................................................................................. 64 FiguraC.3 Representación de las descargas parciales a) con una base de tiempos elíptica b) con una base de tiempos lineal. [9] ......................................................................................... 64 ix ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Guía de voltajes DC a ser aplicados durante la resistencia de aislamiento [3] ..... 16 Tabla 3.2 Valores mínimos para los índices de polarización según la clase de aislamiento [3] ........................................................................................................................................... 20 Tabla 3.3 Valores mínimos recomendados de resistencia del aislamiento a 40 oC [3] ......... 21 x NOMENCLATURA Br Densidad de flujo magnético producido por el rotor. EA Voltaje interno del generador. Bs Densidad de flujo magnético producido por el estator. Id Componente del eje directo de la corriente del inducido. Iq Componente del eje de cuadratura de la corriente del inducido. Fs Fuerza magnetomotriz del estator. Fd Componente del eje directo de la fuerza magnetomotriz. Fq Componente del eje en cuadratura de la fuerza magnetomotriz. Vφ Voltaje en los terminales de la máquina. Ed Componente del eje directo del voltaje de reaccion de inducido. Eq Componente del eje en cuadratura del voltaje de reaccion de inducido. Xd Componente del eje directo de la reactancia sincrónica. Xq Componente del eje en cuadratura de la reactancia sincrónica. XA Autoreactancia del inducido. RA Resistencia del devanado. δ Ángulo de par de la máquina. IL Corriente superficial de fuga. IC Corriente de capacitancia geométrica. IG Corriente de conductancia. IA Corriente de absorción. xi kV Kilovoltios. AC Corriente alterna. DC Corriente directa CA Capacitancia del aislante restante. CC Capacitancia de la cavidad. CB Capacitancia en serie con la cavidad. RB Resistencia del aislante en serie con la cavidad. RC Resistencia de la cavidad. Ui Tensión de umbral. Ue Tensión de extinción de la carga. C1 Capacitancia en paralelo del circuito devanado primario-tierra. C12 Capacitancia entre devanados. L1 Inductancia del devanado primario. R1 Resistencia del devanado primario. Ln Inductancia del núcleo. Rn Resistencia del núcleo. xii RESUMEN En el siguiente trabajo se investigó cuales eran las pruebas necesarias para conocer la fortaleza de los devanados de un generador síncrono a los esfuerzos eléctricos del arranque y operación del mismo. Se inició con una pequeña reseña sobre los principios básicos que rigen sobre las máquinas eléctricas rotatorias en general y sobre el funcionamiento de la máquina sincrónica como generador. Para esto se buscó información acerca de las pruebas eléctricas realizadas a los generadores desde diferentes fuentes, se investigó principalmente entre las normas de la IEEE para el procedimiento y teoría detrás de cada prueba, complementado con el conocimiento y vasta experiencia en el campo de pruebas eléctricas de personeros del LIMAT. Se investigó la teoría detrás de la prueba del análisis de frecuencia para adaptarlos al estudio de las máquinas síncronas como una poderosa herramienta de diagnóstico ante cualquier cambio en los devanados. Se concluyó que la vida de un generador está reflejada en la vida de su aislamiento, es por esta razón que se pone especial énfasis en las pruebas realizadas a sus devanados y siempre se buscan nuevas pruebas que puedan dar cada vez mayor información acerca de su deterioro. xiii CAPÍTULO 1: Introducción Un diagnóstico acertado de la condición de los devanados de un generador es de suma importancia, para esto se realizan diferentes pruebas buscando que estas reflejen de manera acertada el grado de deterioro que ha sido objeto el generador. Al momento de iniciar el funcionamiento, ya sea antes de ponerlo en marcha por primera vez, después de hacer una reparación, o después de darle mantenimiento, se realizan pruebas eléctricas a los devanados, estas para determinar si estos pueden soportar los esfuerzos mecánicos y eléctricos del arranque, o comprobar si el devanado ha sufrido algún tipo de cambio durante la manipulación del alternador que puedan llevar a una falla. 1.1 Justificación: La realización de este trabajo surgió de la necesidad de un protocolo de pruebas eléctricas mínimas necesarias a la hora de poner en funcionamiento un generador. Antes de poner en marcha un alternador que ha estado detenido cierto periodo de tiempo se le deben de realizar diferentes pruebas para garantizar la integridad del devanado a la hora de la puesta en marcha, como parte de esto también se ha buscado la implementación de diferentes pruebas -aparte de las ya existentes- cuyo fin es el de observar el estado de los devanados del generador, lo anterior se justifica especialmente 1 2 después de que el generador haya sido sometido a algún tipo de reparación o para mantenimiento de los mismos. 1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo general • Desarrollar un plan de pruebas eléctricas para el mantenimiento predictivo de generadores sincrónicos. 1.2.2 Objetivos específicos • Determinar cuáles pruebas eléctricas son necesarias para garantizar un buen funcionamiento de los generadores sincrónicos. • Realizar un manual para la aplicación de las pruebas a los generadores sincrónicos. • Adaptar la prueba de FRA (Análisis de la Respuesta en Frecuencia) para generadores sincrónicos. 3 1.3 Metodología Para la realización de este trabajo primero se realizará una investigación bibliográfica acerca de los diferentes tipos de pruebas eléctricas que se le realizan al generador, así como de los distintos indicadores que arrojan cada una de estas pruebas. Se analizará la opción de adaptar la prueba de Análisis de la Respuesta en Frecuencia como herramienta de diagnostico de cambios en el devanado y por tanto como instrumento en la detección de fallas, además de analizar otros tipos de pruebas cuya finalidad sea determinar de la manera más acertada posible fallos en los devanados de los generadores. Se realizará un manual para la aplicación de estas pruebas en el cual se explicaran los procedimientos y respuestas esperadas para cada una de las pruebas que se seleccionen. CAPÍTULO 2: Principios básicos de las máquinas rotativas Para el entendimiento de las máquinas se deben enumerar tres importantes leyes del electromagnetismo, que junto con la ley de conservación de energía constituyen la base teórica con la cual se pueden explicar el funcionamiento de cualquier máquina eléctrica. 2.1 Ley de inducción electromagnética de Faraday Esta ley descubierta por el químico y físico ingles Michael Faraday (1791-1867) se presenta de dos maneras: 1. Un conductor moviéndose a través de las líneas de flujo de un campo magnético constante presentará un voltaje inducido en él. 2. Un flujo magnético cambiante encerrado en una espira de material conductor inducirá un voltaje en la espira. En ambos casos una tasa de cambio es la parte más importante a la hora de producir una diferencia de potencial, en la siguiente figura se ilustran ambos casos de inducción electromagnética. Figura 2.1 Ley de Faraday en ambas formas, a) Inducción del voltaje por flujo cambiante, b) Inducción del voltaje por movimiento del conductor [1] 4 5 Para el primer caso se muestra relación básica entre el flujo cambiante y el voltaje inducido en la espira, y para el segundo caso la relación entre el voltaje inducido en un conductor moviéndose a través de un campo magnético constante. 2.2 Ley de Ampere-Biot-Savart sobre las fuerzas electromagnéticas inducidas. Esta ley es atribuida a los físicos franceses Andre Marie Ampere (1775 - 1836), Jean Baptiste Biot (1774 - 1862), y Víctor Savart (1803 - 1862). En su forma más simple esta ley puede ser vista como la “inversa” de la ley de Faraday, mientras que la ley de Faraday predice el voltaje en un conductor moviéndose a través de un campo magnético, la ley de Ampere-Biot-Savart establece que una fuerza es generada por un conductor al paso de la corriente, al estar inmerso en un campo magnético. Figura 2.2 Ley de Ampere-Biot-Savart sobre electromagnetismo, dirección de la fuerza inducida. [1] 6 2.3 Ley de Lenz de acción y reacción Las leyes de Faraday y Ampere-Biot-Savart se pueden reescribir gracias al físico Estonio de nacimiento Heinrich Lenz (1804 - 1865). Esta ley postula que las corrientes y fuerzas inducidas tratarán de cancelar el efecto que las originó, esto es, si un conductor es forzado a moverse a través de las líneas de campo entonces por la ley de Faraday un voltaje se inducirá en él, ahora si ambos extremos del conductor están conectados entre ellos, entonces una corriente circulará por este, lo que por la ley de Ampere-Biot-Savart, producirá una fuerza actuando sobre el conductor, lo que la ley de Lenz predice es que esta fuerza actuará para oponerse al movimiento del conductor en su dirección original. Grosso modo, se acaba de explicar el principio de operación de las máquinas eléctricas rotativas. Esta ley explica porqué cuando un generador es cargado (mas flujo pasa por el entrehierro entre el rotor y estator) se necesita más fuerza por parte del primotor para contrarrestar las fuerzas mayores de inducción y mantener el suministro de potencia a la carga. Figura 2.3 Ley de Lenz, las corrientes inducidas tratarán de cancelar el efecto que las originó. [1] 7 2.4 Conversión electromecánica de la energía La ley final de la física que engloba de manera conjunta los procesos físicos dentro de la maquinaria eléctrica es “el principio de la conversión de la energía”, este dice que: Toda la energía tanto mecánica como eléctrica que fluye hacia adentro de la máquina menos la energía mecánica y eléctrica que fluye fuera de la máquina y la acumulada dentro de la misma es igual a la energía disipada por la máquina como calor. Es importante recordar que mientras la energía mecánica y eléctrica pueden entrar o salir de la máquina el calor generado siempre va a tener un signo negativo, esto es que el calor siempre es disipado durante el proceso de conversión. Figura 2.4 Principio de conversión de la energía, aplicable a las máquinas eléctricas rotativas. [1] 8 El balance entre estas energías en la máquina determinará tanto su eficiencia como los requerimientos de enfriamiento en la misma, ambos aspectos críticos en el rendimiento y los parámetros constructivos de los grandes generadores. 2.5 La máquina sincrónica Las máquinas sincrónicas vienen en diferentes tamaños y formas, éstas se pueden clasificar en dos tipos, de campo estacionario o de campo rotativo de corriente continua. Las máquinas sincrónicas con campo magnético rotatorio tienen el devanado de campo en la parte rotativa (rotor), y el devanado de armadura en la parte estacionaria (estator), la corriente DC que crea el campo debe de rotar a velocidad sincrónica, este campo rotatorio puede ser conseguido por excitación externa (por medio de colectores y escobillas) o por medio de un puente de diodos montado en el rotor (autoexcitado), existen diferentes variaciones de estas conexiones. El núcleo del estator está hecho de láminas de acero aisladas, el grosor de las láminas y el tipo de acero se diseñan para minimizar las corrientes de eddy y las pérdidas por histéresis, se puede diferenciar dos tipos de rotor en las máquinas sincrónicas, las de polos salientes y las de polos lisos, éstas últimas son utilizadas para el caso de turbinas de vapor o combustión, las demás máquinas sincrónicas tales como hidrogeneradores, casi todos los condensadores sincrónicos, y la gran mayoría de los motores síncronos, son de polos salientes. 9 Figura 2.5 Esquemático de la construcción de las máquinas sincrónicas, a) Corte transversal de una máquina de polos salientes, b) Corte transversal de una máquina de polos lisos. [1] Al alimentar de corriente continua el devanado de excitación, se produce una fuerza magnetomotriz (fmm) que interactúa con la fmm producida por las corrientes en los devanados de armadura, lo que produce torques que se oponen entre si, en el caso de los generadores el torque es suministrado por el primotor y éste induce voltajes en los devanados de armadura. Para lograr que la onda de voltaje producida por el generador sea de forma senoidal se debe obtener una variación igual en la fuerza magnetomotriz a lo largo de la superficie del entrehierro, esto se logra al distribuir las vueltas del devanado que producen la fuerza magnetomotriz en ranuras espaciadas muy cercanas alrededor de la superficie de la máquina y variar el número de conductores en cada ranura de manera senoidal, con esta distribución se aproxima la forma senoidal de la fmm, entre más ranuras hayan y cuanto más juntas estén alrededor del estator más cercana será a la forma senoidal buscada. 10 Figura 2.6 Obtención de la onda sinusoidal por medio de un rotor de polos lisos. [2] Dado que en las máquinas reales hay un numero finito de ranuras y dentro de estas ranuras solo se pueden insertar números enteros de conductores la onda nunca podrá ser perfectamente sinusoidal, siempre tendrá una carga de componentes armónicos de orden superior, para evitar en la medida de lo posible estos efectos no deseados se emplean diferentes técnicas de diseño para el estator que se salen del alcance de este trabajo. 2.6 Pruebas eléctricas a generadores síncronos Las pruebas realizadas a generadores síncronos están dirigidas a obtener las características de rendimiento y obtener los parámetros para análisis del funcionamiento dinámico del generador (transientes). Los métodos de prueba se pueden dividir en de tipo estándar y los de investigación. Pruebas más generales están incluidas en estándares que son renovados cada cierto tiempo. Entre los métodos de prueba estándar se tiene: • Pruebas de aceptación. • Pruebas de rendimiento del estado estable del generador. 11 • Pruebas de estimación de parámetros (para análisis dinámicos). Un listado de pruebas que se le pueden realizar a los generadores son las siguientes, • Prueba de resistencia del aislamiento. • Pruebas de descargas parciales y al dieléctrico. • Resistencia Interna. • Pruebas para detectar corto-circuitos en el devanado de campo. • Prueba de polaridad para el aislamiento del devanado de campo. • Corrientes inducidas en el eje y estado de los rodamientos. • Secuencia de fase. • Factor de influencia telefónica. • Factor de influencia telefónica balanceado. • Factor de influencia telefónica línea a neutro. • Desviación del voltaje en las terminales del estator y factores de distorsión. • Pruebas a sobre-velocidad. • Capacidad límite de carga. • Prueba acústica de sonido. • Pruebas del desempeño del alternador. • Prueba para el cálculo de la curva de saturación en circuito abierto. • Prueba para el cálculo de la curva de saturación en corto circuito. • Prueba de desaceleración. • Corriente de excitación bajo regulación de carga y voltaje. • Pruebas de temperatura. • Pruebas para determinar los parámetros eléctricos del alternador. • Pruebas para determinar los parámetros transientes y subtransientes. 12 Las anteriores pruebas se pueden solicitar al fabricante del equipo, algunas pruebas son realizadas para medir el envejecimiento del generador, otras solo son realizadas una vez, por ejemplo las que determinan los parámetros eléctricos. El estator de los generadores está compuesto por variedad de materiales los cuales están pensados para asegurar el funcionamiento apropiado durante la vida útil del generador. Por lo anterior se necesita de diferentes tipos de pruebas para determinar la completa condición del aislamiento. Entre las pruebas con las cuales se puede determinar la condición del aislamiento del estator y para el presente trabajo se van a desarrollar las siguientes: • Prueba de resistencia del aislamiento. • Resistencia interna. • Descargas parciales. • Factor de potencia. • Factor de disipación (tan δ). • FRA (Análisis de la respuesta en frecuencia). • Espectroscopia dieléctrica. Las pruebas anteriores están dirigidas a observar el estado de los devanados del generador, y por medio de los resultados juzgar si es posible su puesta en marcha sin daños en el devanado. 13 Las dos últimas pruebas son de aplicación relativamente nueva aquí en el país y todavía se encuentran en estado de prueba, se busca como mejorar los resultados para una mejor comprensión de la respuesta en frecuencia. CAPÍTULO 3: Resistencia del aislamiento [3]. Por definición la resistencia del aislamiento es el cociente del voltaje DC aplicado a través de la superficie dividido por la corriente resultante total a un tiempo dado. La resistencia del aislamiento del devanado de una máquina rotativa es función del tipo y las condiciones del material aislador usado, en general esta varía proporcionalmente con el espesor e inversamente con el área de superficie del conductor. Esta prueba se realiza para: • Definir la resistencia del aislamiento y el índice de polarización de los devanados de una máquina rotativa. • Examinar los factores que infieren en las características del aislamiento. • Recomendar condiciones de prueba y mediciones uniformes tomando precauciones para evitar lecturas erróneas. La corriente total IT es la suma de cuatro diferentes corrientes: corriente superficial de fuga (IL), corriente de capacitancia geométrica (IC), corriente de conductancia (IG), y la corriente de absorción (IA). La corriente de la capacitancia geométrica no afecta la medición puesto que desaparece antes de tomar la medición de 1 minuto, y tanto la corriente de conductancia como la corriente de fuga superficial usualmente se mantienen constantes en el tiempo, la corriente de absorción decrece de manera exponencial y es la que moldea el comportamiento de la corriente total. A continuación se muestra el circuito equivalente de las corrientes medidas en la prueba de aislamiento, 14 15 Figura 3.1 Circuito equivalente, se muestran las cuatro corrientes que se miden durante la prueba de resistencia del aislamiento. [3] El comportamiento de la corriente total a lo largo del tiempo da una idea de la limpieza y humedad del devanado, esto porque si el devanado está contaminado o húmedo la corriente total será aproximadamente constante en el tiempo, esto porque la corriente de conductancia mas la corriente de fuga van a ser mayores que la corriente de absorción, por otro lado cuando los devanados están limpios y secos, la corriente total decrecerá de manera normal a lo largo del tiempo de medición esto porque la corriente de absorción es dominante en la corriente total. El voltaje DC aplicado al realizar la prueba debe ser restringido tomando en cuenta el voltaje nominal de los devanados, esto para evitar sobre estresar el aislamiento y una posible descarga, una tabla de guía para la aplicación de los voltajes DC se presenta a continuación, 16 Tabla 3.1 Guía de voltajes DC a ser aplicados durante la resistencia de aislamiento [3] Voltaje nominal del devanado (V)a a Voltaje DC aplicado para la prueba de resistencia de aislamiento (V) <1000 500 1000-2500 500-1000 2501-5000 1000-2500 5001-12 000 2500-5000 >12 000 5000-10 000 Voltaje nominal Línea - Línea. La experiencia ha probado que los devanados de voltaje nominal de menos de 1000 voltios pueden soportar voltajes aplicados de hasta 2000VDC sin dañarse. 3.1 Índice de polarización El índice de polarización es un indicador de la pendiente y por tanto del comportamiento del aislamiento en los devanados, este comienza con un incremento relativamente rápido de la resistencia del aislamiento para luego acercarse a un valor más o menos estable a medida que el tiempo pasa. En devanados secos y en buen estado una medida constante se puede alcanzar pasados de 10 a 15 min, por otro lado, en los casos en que los devanados estén sucios o húmedos se alcanzará un valor bajo de aislamiento al cabo de 1 o 2 minutos en que el voltaje sea aplicado. 17 Figura 3.2 Medidas típicas de resistencia para dos estados en los devanados El índice de polarización se define como la relación del valor de la resistencia del aislamiento tomado a 10 minutos entre el valor tomado a 1 minuto. 3.2 Factores que afectan la resistencia de aislamiento A la hora de hacer las mediciones del aislamiento es necesario saber qué tipo de factores podrían llegar a afectar los aislamientos de los devanados, puesto que agentes como aceites y polvo pueden bajar la resistencia del aislamiento en estos casos una solución es limpiar la superficie de los devanados. El efecto de la humedad también puede acarrear a una baja lectura de resistencia en el aislamiento, esta incrementa la corriente de conductancia (IG) lo que repercute en una baja en las mediciones. La contaminación por humedad se produce cuando la humedad es muy alta y la máquina se encuentra bajo el punto de rocío, este efecto se aumenta en casos 18 en que además la superficie se encuentre contaminada, para procedimientos de secado apropiados, se recomienda consultar el historial de la máquina o al fabricante del equipo. Al realizar mediciones se recomienda tomar apuntes de la temperatura ambiente, humedad relativa, punto de rocío (esta puede calcularse de las dos medidas anteriores), temperatura de los devanados, tiempo fuera de servicio, voltaje de prueba y conexiones para la prueba, todo esto para sentar las bases para futuras comparaciones entre mediciones. 3.3 Conexión de los devanados a la hora de realizar la prueba A la hora de la medición es recomendable cuando esto sea posible, que cada devanado sea probado separadamente, esto permite hacer comparaciones entre resultados de los diferentes devanados, cuando se esté probando un devanado los otros dos deberán de estar aterrizados a mismo nodo que el estator y el cuerpo del estator. Cuando la medición entre devanados no sea posible entonces el resultado de la medición mostrará el nivel de aislamiento a tierra. Otro aspecto a tener en cuenta a la hora de la conexión y que puede tener una gran influencia en la medición del aislamiento es el de los equipos conectados tales como cables, capacitores, transformadores de voltaje, porta escobillas, pararrayos, y demás equipo externo, estos deben de estar desconectados. 3.4 Métodos de medición La medición de la resistencia del aislamiento puede llevarse a cabo con diferentes instrumentos y tomando los valores de voltaje de entrada y la corriente total para calcular la resistencia, pero el instrumento de mayor uso es el megómetro digital el cual da el valor del aislamiento a través del tiempo. 19 3.5 Interpretación de resultados La mejor manera de evaluar los datos obtenidos en la prueba de resistencia de aislamiento y el índice de polarización es comparando estos resultados con el historial de pruebas de la máquina tomando la precaución de comparar los datos tomados bajo condiciones similares de humedad relativa, temperatura del devanado, magnitud y duración del voltaje aplicado. Diferentes comportamientos pueden significar condiciones variadas, un nivel muy bajo de la resistencia de aislamiento o de índice de polarización comparado con las medidas anteriores puede significar humedad, una superficie contaminada o en casos más severos una ruptura del aislamiento, cuando en condiciones afines en el historial la medida de resistencia de aislamiento presente una tendencia a subir puede significar una descomposición de los materiales de unión (en especial si son de tipo termoplásticos). En los casos en que no existan datos para comparar, estos deben cumplir un mínimo recomendado si se quiere someter a los devanados a operación normal o a pruebas de sobretensión. Es posible que en máquinas con aislamientos hechos de tejidos barnizados, asfaltomica o goma laca-mica un alto índice de polarización, (por ejemplo más de 8) puede indicar que el aislamiento ha sufrido envejecimiento por altas temperaturas, esto se puede comprobar inspeccionando que los devanados estén secos y quebradizos, la puesta en marcha con este tipo de condición no es recomendable. La prueba de resistencia de aislamiento es útil en detectar problemas de aislamiento, pero si se quiere un diagnostico más acertado del estado de los devanados otras pruebas deben de ser llevadas a cabo. 20 3.6 Valores mínimos recomendados Los valores mínimos son los niveles más bajos a los cuales el devanado se recomienda operar o realizársele pruebas. Obviar estos valores puede significar un daño mayor en la máquina. 3.7 Índice de polarización mínimo El índice de polarización mínimo está dividido para cada una de las clases de aislamiento térmico, este no aplica para devanados no aislados. Tabla 3.2 Valores mínimos para los índices de polarización según la clase de aislamiento [3] Clase de aislamiento térmico Índice de polarización mínimo Clase A 1.5 Clase B 2.0 Clase F 2.0 Clase H 2.0 Si la medida a 1 minuto es mayor a 5000MΩ no se recomienda tomar el índice de polarización como medida significativa del estado del devanado. 3.8 Resistencia del aislamiento valores mínimos Esta consiste en la medición realizada al aplicar un voltaje DC a un devanado por 1 minuto. La resistencia mínima de una de las tres fases de un devanado probada con las otras dos fases aterrizadas deberá de ser aproximadamente el doble del devanado total. Si cada 21 fase es probada separadamente y se usan circuitos guarda en las dos fases no bajo prueba la resistencia mínima debe de ser tres veces la del devanado total. Tabla 3.3 Valores mínimos recomendados de resistencia del aislamiento a 40 oC [3] Resistencia de aislamiento (MΩ) mínima Devanados Mayoría de los devanados hechos antes de kV+1 1970, devanados de campo, otros no descritos abajo 100 5 Para la mayoría de los devanados hechos después de 1970 Devanados menores a 1kV CAPÍTULO 4: Resistencia Interna [4] Por medio de esta prueba se pretende determinar el estado de los devanados y comprobar si el cobre presenta algún daño. Cuando los conductores de cobre se deterioran la resistencia entre los terminales de los devanados aumenta debido a que el área transversal del conductor disminuye, este efecto es producido por varios factores, • Vibraciones en los extremos del bobinado, produciendo fatiga del cobre. • Alto estrés en los devanados provocada por una fuerza magnética excesiva debido a una mala operación del generador (sincronizaciones fuera de fase). • Aumento de temperatura por a una mala conexión debido a imperfecciones en la soldadura entre elementos conductores. • Cortocircuito entre las vueltas del devanado del estator Los factores anteriores conllevan a un aumento de la resistencia y finalmente a un fallo del aislamiento debido a las altas temperaturas. En esta prueba se utiliza un voltaje DC sobre el AC dado que la resistencia medida se ve afectada por la parte reactiva de la impedancia y por lo tanto se puede ver modificado su valor por cambios en el circuito magnético y por tanto por la posición del rotor. Lo anterior hace difícil observar una tendencia en la resistencia de los conductores. 4.1 Método de prueba La manera de realizar esta prueba es la de calcular la resistencia (o conductancia) por medio de la ley de ohm haciendo pasar una corriente directa a través del devanado y midiendo el voltaje producido. 22 23 Las resistencias a ser calculadas va a ser muy pequeñas, del orden de los mΩ, por esta razón se requiere de métodos especiales tales como puentes de Kelvin o Wheatstone, existen varios equipos comerciales que miden la resistencia con la exactitud de un 1% necesaria. En el caso de los devanados del estator se recomienda medir cada fase de manera individual entre los terminales de fase y los de neutro por medio de los anillos deslizantes. La resistencia en DC se ve fuertemente afectada por la temperatura del devanado, esto porque a mayor temperatura la resistencia tiende a subir, es por esto que para graficar el desarrollo de un devanado a través del tiempo se aplica una corrección por la temperatura, esta es R20 = RT 1 + (T − 20) / 255.5 [4.1-1] Donde R20 es la resistencia a 20 grados Celsius, RT es la resistencia medida a la temperatura T. De los datos medidos de la resistencia se puede obtener mayor información si estos se comparan entre fases, entre devanados de máquinas idénticas, o con el historial del devanado. En el caso de las medidas de resistencia de los devanados de un estator, estas deben de tener una diferencia de 1% entre fases en el caso de bobinas preformadas y 3% en bobinas de alambrado común, en el caso que una de las fases presente una resistencia más alta puede significar que hay un problema con el devanado de esta fase, ya sea una espira rota o una mala conexión en el alambre. Cuando se comparan los valores de la resistencia en máquinas idénticas, estos deben de cumplir con un máximo de 5% de diferencia entre los devanados. Para el caso de máquinas rebobinadas estas deberán cumplir el criterio de diferencia máxima de 1 % entre sus devanados. 24 Aun así la manera más útil para observar el deterioro en el bobinado es la comparación con las medidas en el historial de la máquina, para esto se debe de usar la medida corregida a la misma temperatura, es prudente usar siempre el mismo instrumento, un aumento de un 1% en la resistencia puede significar desgastes en los conductores del devanado. Dado que el estator tiene varios circuitos paralelos en el devanado, puede resultar muy difícil encontrar el lugar preciso donde se esté dando la falla, es poco probable que se pueda observar un daño a tiempo con esta prueba en el caso de fallas con un desarrollo acelerado. CAPÍTULO 5: Descargas parciales [4] [5] [6] [7] [8] Las descargas parciales tienen su origen en las pequeñas cavidades de gas en los aislantes que se forman ya sea en el proceso de fabricación, entre cavidades conductoraislante, o ya sea por envejecimiento del aislamiento. Cuando un medio aislante es sometido a una diferencia de potencial, en las cavidades del aislamiento se concentra campo eléctrico por lo que el gas se ioniza dando lugar a una descarga. El proceso de ionización se inicia cuando un electrón libre o ion negativo tiene suficiente libertad de moverse en el material ionizable en presencia de un campo eléctrico, al moverse este podrá adquirir una gran energía dinámica de tal manera al colisionar con una molécula neutra se liberará un electrón por el impacto, así se repite este efecto hasta lograr un efecto de avalancha. Así, tanto los electrones como las moléculas se moverán hacia los electrodos positivos y negativos respectivamente, el movimiento de los iones es más lento que él los electrones y depende de la fuerza que ejerce el campo eléctrico sobre estos. Al llegar al punto donde la intensidad del campo eléctrico tiene un valor menor al valor en que se inició la ionización no se generan más electrones por avalancha. La carga en los electrodos disminuye por la influencia de las cargas atraídas por ellos, a medida que esto sucede la intensidad del campo eléctrico aumenta otra vez, cuando este alcanza el valor al cual la ionización fue iniciada por primera vez lo que provoca la avalancha de electrones y el proceso comienza de nuevo. Los niveles de voltaje que inician estas descargas son bajos, puesto que el campo eléctrico tiende a concentrarse en las cavidades, y la rigidez dieléctrica del gas es menor que la rigidez dieléctricas del sólido. Se puede definir las descargas parciales como pequeñas descargas eléctricas que se producen entre las cavidades con gas presentes en un medio aislante o líquido. 25 26 5.1 Clasificación Estas se pueden clasificar en tres tipos • Internas • Superficiales • Corona Las primeras son las que se producen en las cavidades y fisuras en el interior de un dieléctrico sólido. Se pueden presentar en el exterior entre los revestimientos de dos conductores paralelos. En el interior del dieléctrico en una pequeña cavidad de aire. Entre el dieléctrico y el aislante dado que el aislamiento se separa. Las descargas superficiales ocurren en la superficie del dieléctrico o entre la interface de dos dieléctricos. Las descargas corona son diferentes a las anteriores, estas se producen alrededor de los conductores con superficies aguzadas, o radios de curvatura pequeños, en donde el estrés producido por un campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del gas circundante. Es frecuente que estas últimas se obvien como descargas parciales y se presentan como interferencia a la hora de la medición estas. 5.2 Modelado del fenómeno Una cavidad en el aislamiento representa una capacitancia al someterse a un campo eléctrico alterno. 27 Figura 5.1 Dieléctrico entre dos conductores. [9] Donde A Representa la capacitancia de la aislación sin falla. B Capacitancia serie a la cavidad, es decir, de la zona sin falla. C Es la capacitancia equivalente de la cavidad. Una descarga parcial puede ser modelada mediante un circuito con resistencias y capacitores. Figura 5.2 Circuito de prueba para descargas parciales. [9] 28 El modelo anterior toma en cuenta las resistencias de la cavidad RC, del aislante en serie con la cavidad RB, y del aislante restante RA. Para los cálculos, tomando en cuenta que las resistencias son muchos mayores a las capacitancias se adopta el circuito simplificado. Figura 5.3 Circuito de prueba tomado las capacitancias para descargas parciales. [9] Cuando se aplica una tensión alterna: Vt (t ) = Vm ⋅ Sen ω [ 5.2-1] Entonces la diferencia de potencial en los terminales será Vc(t ) = CB Vm ⋅ Senωt CB + CC [ 5.1-2] Esto hasta que llega al valor Ui (tensión disruptiva del gas en el interior de la cavidad). La tensión a la cual se produce la descarga es V max ≥ Vi = CB + CC Ui CB [ 5.2-3] 29 Donde Vi es la tensión de umbral. Cuando la tensión dentro de la cavidad no puede ser sostenida esta se descarga, lo que produce una caída brusca de la tensión Vc(t), hasta un valor Ue llamado extinción de la descarga. Debido que la tensión externa sigue siendo aplicada, la tensión en la cavidad C comienza a subir nuevamente, una vez que ya ha alcanzado el valor Ui, se produce una descarga, y así se repite sucesivamente, después cuando el máximo de la onda Vc se ha alcanzado, y empiezan los valores negativos entonces se producen descargas en sentido opuesto al alcanzarse valores de –Ui, es entonces cuando se producirán descargas en sentido negativo. Figura 5.4 Gráfica de desplazamiento y producción de las descargas parciales. 30 5.3 Efectos negativos de las descargas parciales Las descargas parciales producen un efecto de degradación en el aislante sólido, esta degradación se da por diferentes fenómenos, a) Elevación de la temperatura del gas encerado producido por los choques elásticos entre electrones y moléculas gaseosas. b) Erosión de las paredes de la cavidad por el bombardeo iónico. c) Acción de rayos ultravioleta producidas por átomos excitados y por la recombinación de portadores. d) Descarga química progresiva del material con producción de gases, particularmente hidrogeno. El efecto de estos fenómenos varía respecto al material que se utiliza en el aislamiento, la experiencia ha demostrado que la degradación tiene un mismo tipo de evolución que comprende tres fases sucesivas, a) El proceso comienza con una erosión lenta, las cavidades crecen agravando el problema del aislamiento. b) La segunda etapa se da cuando comienzan a aparecer arborescencias (treeing) en los puntos más susceptibles, propagándose por el interior del dieléctrico. c) Cuando una de las ramificaciones alcanza al gradiente disruptivo intrínseco del aislante se observa un desgaste acelerado del material, cuando las ramificaciones se producen hacia el lado opuesto del aislante es cuando se produce una descarga total entre conductores. 31 Figura 5.5 Arborecencias producidas en el dieléctrico a causa de las descargas parciales. 5.4 Detección de las descargas parciales A la hora de realizar las pruebas para la detección de las descargas parciales se debe de tomar en cuenta que, • Estas no deben de aumentar la probabilidad de falla. • No debe de dar falsas indicaciones de deterioro. • No debe de ser riesgoso tanto para el equipo como para en personal que realiza la prueba. • El costo de la prueba debe ser bastante menor que el costo de una salida de operación o de una falla. 32 5.5 Método de prueba Para la medición de las descargas parciales en los bobinados del estator estos son energizados con el voltaje nominal de fase por medio de una fuente de alimentación externa, y empleando un detector de descargas parciales. Figura 5.6 Esquema básico del circuito para la medición de descargas parciales. [9] Para filtrar las señales de la frecuencia de la red, se utiliza un capacitor de alto voltaje lo que permite que los pulsos de alta frecuencia de las descargas parciales lleguen al detector. El procedimiento más común es el de aumentar gradualmente la tensión de la fuente de alimentación hasta que los pulsos pertenecientes a las descargas sean visibles en el instrumento de medida, al nivel de tensión donde inician las descargas se le llama voltaje de inicio de descarga (DIV) y al voltaje donde las descaras se extinguen se le llama voltaje de extinción de descargas (DEV), normalmente DIV > DEV. En la detección de las descargas parciales en bobinados de máquinas fuera de línea existen ciertos inconvenientes, • Puesto que el bobinado completo se energiza junto con el punto de neutro existen varios lugares con voltaje que normalmente en servicio no lo estarían, 33 que puede llevar a que se produzcan pulsos que lleven a una interpretación errónea por parte del operador. • Otro problema está en que dado que la máquina está detenida, las descargas parciales generadas entre ranuras sueltas no se van a presentar puesto que no hay vibración. Figura 5.7 Configuración instrumental de la prueba de detección de descargas parciales. [9] Figura 5.8 Representación de las descargas parciales a) con una base de tiempos elíptica b) con una base de tiempos lineal. [9] 34 5.6 Retos de las mediciones de descargas parciales en máquinas rotativas de alta tensión • La presencia de interferencias eléctricas, especialmente en entornos industriales ruidosos. • La presencia de descargas parciales es habitual en el aislamiento del estator en máquinas rotativas de alta tensión, y se considera aceptable hasta un nivel especificado. • La necesidad de reconocimiento y separación de múltiples fuentes de descargas parciales que normalmente tienen lugar en el aislamiento del devanado del estator. • La clasificación de fuentes de descargas parciales para distinguir entre situaciones normales y perjudiciales. 5.7 Interpretación de resultados La interpretación de resultados es el paso más importante en la toma de decisiones sobre el estado del aislamiento de una máquina. Es difícil de definir niveles apropiados permitidos puesto que estos dependen en gran medida de las características del bobinado y de los materiales utilizados en su aislamiento, sin embargo se puede obtener información valiosa al comparar medidas realizadas con anterioridad en las mismas condiciones (historial de la máquina), y para una evaluación más completa, estos 35 resultados deben también ser comparados con otras pruebas buscando rastros que puedan indicar deterioro del aislamiento. A partir de la detección de las descargas parciales, el siguiente paso en el proceso de evaluación del estado del aislamiento es determinar que descargas son peligrosas a largo plazo y cuales limitarán a corto plazo la vida del aislamiento. Para generadores en los cuales las condiciones de operación no han sido demasiado severas, esto es que no han trabajado la mayor parte del tiempo sobrecargados, sin cambios bruscos de carga, y sin aumentos de temperatura muy frecuentes se podría esperar que el aislamiento se haya degradado de manera gradual, se puede decir que las descargas parciales son un síntoma de un aislamiento degradado, pero por otro lado en los casos muy severos de descargas parciales se puede decir que estas contribuyen al rápido deterioro del aislamiento. En esta prueba se mide la magnitud y la distribución de las descargas parciales, para así averiguar el grado de detrimento del aislamiento, la correcta interpretación de estas medidas requiere no solo mucha experiencia sino que a veces se ocupan otras pruebas para tener una mayor inferencia en los resultados. La evaluación de las descargas parciales por medio de valores absolutos y su incremento en el tiempo son indicadores de envejecimiento, pero este incremento no necesariamente significa que el aislamiento vaya a fallar pronto, para esto se debe evaluar y comparar la magnitud del incremento, en casos en que las medidas estén en un valor crítico entonces se recomienda realizar inspecciones con mayor frecuencia y si es posible implementar un sistema de medida con la máquina en operación para una mejor observación. La experiencia ha demostrado que saber con seguridad el origen de las descargas parciales no es fácil, puesto que la contaminación en los devanados pueden producir lecturas que se lleguen a confundir con otro mecanismos de falla, a pesar de todo esto esta prueba ha demostrado ser la más sensible a la degradación o contaminación del aislamiento. CAPÍTULO 6: Factor de potencia y factor de disipación [4] Tanto el factor de disipación como el factor de potencia son indicadores de las pérdidas dieléctricas en el aislamiento. Los procesos de deterioro térmico y la absorción de humedad incrementan las pérdidas antes mencionadas, una manera de medir estas pérdidas es analizando el progreso en el tiempo de dos valores el factor de disipación (tan δ) y el factor de potencia. Las pérdidas debido al material dieléctrico se deben principalmente a que la mayoría de los materiales de aislamiento contienen moléculas polares que tienden a rotar o a vibrar cuando un campo eléctrico DC es aplicado aumentando la corriente de absorción (IA), cuando se aplica un campo eléctrico altérnate, entonces las moléculas oscilaran a una frecuencia de 60 veces por segundo, puesto que esto sucede en un medio sólido la friccion producida contra las moléculas adyacentes aumenta la temperatura del aislamiento, la energía que se disipa en forma de calor aportada por el campo eléctrico aplicado, las perdidas dieléctricas es una propiedad intrínseca de cada material, su medida no es un indicador de la calidad del aislamiento. Ahora cuando parte del aislamiento es expuesto a altas temperaturas, se produce una rotura de las cadenas de polímero, si una molécula de oxigeno se adhiere al final de la cadena se produce un efecto de oxidación, este efecto tiene como consecuencia que el aislamiento tenga consistencia quebradiza. La inclusión de oxigeno en las cadenas de polímero crea moléculas polares adicionales en el aislamiento las que al ser excitadas por el campo eléctrico altérnate van a producir mayores pérdidas dieléctricas, lo mismo ocurre cuando los aislamientos se encuentran húmedos, esto porque las moléculas de agua son polares. De lo anterior se deduce que cuando las pérdidas dieléctricas aumentan a través del tiempo puede significar un envejecimiento de los devanados o que estos están húmedos. 36 37 6.1 Método de prueba Existen dos maneras de medir las pérdidas dieléctricas, estas se basan la comparación de los aislamientos de los devanados con el dieléctrico en un capacitor. Factor de disipación (tan δ), para esta medición se necesita una precisión muy alta, por lo que se utiliza un equipo tipo puente de Schering, donde un circuito con una capacitancia y una resistencia se varían para obtener el mismo voltaje y ángulo de fase (tan δ) que los medidos en el devanados bajo prueba, después de los valores de R y C que se obtuvieron en el instrumento se calcula el factor de disipación. Figura 6.1 a) Circuito equivalente, b) Angulo del factor de disipación Para los materiales con un bajo factor de disipación, el factor de potencia y el factor de disipación son prácticamente el mismo, este puede ser calculado al medir el voltaje y la corriente resultante entre el cobre y el núcleo del devanado, al mismo tiempo la potencia disipada puede ser medida por un watimetro, entonces se tiene que el factor de potencia es, FP = W V ⋅I [ 6.1-1] 38 Las medidas se pueden hacer usando un voltaje relativamente bajo, pero se corre el riesgo que se observen falsos resultados debido a interferencia causada por capacitancias o inductancias de otros equipos energizados, por lo que se recomienda hacer las mediciones a alto voltaje. La relación entre las medidas está dada por la siguiente fórmula FP = FD 1 + FD 2 [ 6.1-2] Para el caso del aislamiento de las máquinas rotativas estos dos datos tienen valores muy cercanos. Es recomendable hacer las mediciones en cada fase separadamente, esto para los casos que sea posible. 6.2 Interpretación de resultados Para pruebas de mantenimiento en devanados completos la medida inicial del factor de disipación es irrelevante, valores típicos de 0.5% pueden observarse en aislamientos hechos de epóxico y poliéster impregnado, valores de 3% a 5% se pueden obtener para aislamientos de mica asfáltica, al medir el valor del factor de disipación al paso del tiempo si este se mantiene constante a lo largo del tiempo es un indicador que no se presenta envejecimiento o contaminación excesiva en los devanados, por el contrario si el factor de disipación se incrementa a lo largo del tiempo puede significar un sobrecalentamiento del devanado, contaminación por la presencia de humedad o agentes que afectan el aislamiento. El factor de disipación es un indicador de la condición promedio del aislamiento, esto significa que si un devanado está sufriendo de sobrecalentamiento y los demás están en buena condición no va a significar un aumento perceptible en este. CAPÍTULO 7: Análisis de la respuesta en frecuencia Esta técnica es parte de las pruebas que se le realizan a los transformadores en la detección de fallas, esta prueba todavía está en la fase de desarrollo y se están haciendo estudios para mejorar el alcance de la misma. Este análisis es una técnica de mantenimiento predictivo que se basa en observación de la respuesta en frecuencia de los devanados, tiene varias ventajas puesto que esta es una técnica no invasiva, su principal aplicación es la de detectar los cambios en la geometría de las bobinas y el núcleo producidos por los esfuerzos al soportar un cortocircuito, al ser transportados o después de algún trabajo de mantenimiento. Esta prueba está compuesta de mediciones individuales que representan valores eléctricos de capacitancia e inductancia dentro de la máquina, estos valores están ligados a la parte geométrica de los devanados, o sea, un cambio en estos valores es un cambio en la geometría del circuito interno. 39 40 Figura 7.1 Barrido en frecuencia de una máquina, subrayando el significado físico de las lecturas. Estos cambios en la geometría se pueden dar por esfuerzos en los devanados producidos por sobrecargas, cortocircuitos o por una operación anómala del equipo. Para utilizar este método se necesita definir un modelo del circuito eléctrico de la máquina a estudiar que tenga una respuesta a través del ancho de banda igual al de la máquina real, para esto se pueden utilizar modelos simulados por medio del elemento finito, o también se puede utilizar la máquina ya construida. 41 Figura 7.2 Circuito base para el desarrollo del modelo que mejor represente la máquina, los efectos del campo eléctrico se modelan por medio de las capacitancias C1 y C12, los arrollamientos son modelados por medio de R1, L1 y R2, L2 y el núcleo se representa por el trafo ideal y Ln y Rn. En la obtención del modelo se utiliza el circuito real y se fracciona en diferentes celdas para lograr que la respuesta sea lo más parecida posible durante todo el ancho de banda. Cada una de estas celdas denota una parte de los devanados de la máquina. Es por medio del análisis estas celdas y de la respuesta en la frecuencia que se pueden ubicar físicamente los desperfectos en los devanados. Lo anterior es uno de los puntos fuertes de esta prueba, ya que los corrimientos en los devanados (en los transformadores) son fallos difíciles de detectar, además pueden producir daños muy severos en la máquina. 42 Figura 7.3 Circuito compuesto por diferentes celdas las cuales presentan una respuesta de ancho de banda muy cercana al circuito real Esta prueba puede aplicársele a cualquier máquina eléctrica en sus devanados. Puesto que este método indica un cambio físico en las bobinas, se podría usar en el caso de los devanados de las máquinas rotatorias para comprobar un cambio debido a alguna sobrecarga o cortocircuito, después de un rebobinado o algún trabajo de reparación y así comparar con el historial de la máquina y advertir si existe algún cambio importante en la misma después del evento. CAPÍTULO 8: Espectroscopia dieléctrica Esta prueba eléctrica se realiza para medir la capacidad del aislamiento de los materiales que componen los devanados, cuando los niveles de humedad son muy altos existe peligro de falla de los sistemas de aislamiento puesto que disminuye la resistencia dieléctrica y acelera el deterioro de los materiales aislantes lo que conlleva a un fallo de la máquina. De la espectroscopia dieléctrica se puede obtener información valiosa acerca de la concentración de humedad en los devanados, cuando se realiza una prueba normal se obtienen mediciones a una sola frecuencia, estas aportan información incompleta del estado de los devanados, si se expone el aislamiento a una amplia banda de frecuencias y se observa su reacción, se puede llegar a una mayor comprensión del estado del aislamiento. Esta prueba se complementa muy bien con los resultados obtenidos en la prueba de descargas parciales, existen relaciones muy estrechas entre estas dos pruebas que garantizan una evaluación bastante acertada del estado del aislamiento. La mayoría de materiales usados en aislamiento son compuestos, esto es una combinación de dos o más materiales. La estructura del aislamiento tiene una presencia importante en la respuesta dieléctrica del aislamiento puesto que generalmente se trata de calcular la respuesta de los materiales conociendo de antemano sus propiedades dieléctricas. Para el uso de este método de prueba se utiliza un modelo de la máquina a estudiar, este modelo toma en cuenta las capacitancias internas del aislamiento entre devanados. En el caso de un transformador se tiene, 43 44 Figura 8.1 Sección de los aislamientos entre devanados con barreras cilíndricas y separadores axiales. [10] Y el circuito que se utiliza para calcular la respuesta del aislamiento del transformador es, Figura 8.2 Modelo XY, módulo utilizado para calcular la respuesta del aislamiento en el transformador. [10] El circuito anterior se modela conociendo las propiedades dieléctricas de los materiales de los separadores, barreras y aceite y se comparan los resultados obtenidos del modelado con los datos medidos reales, estos datos se asemejan mucho entre si, por lo que esta herramienta es muy útil para saber el cambio en el aislamiento debido a contaminación por humedad. 45 Dada la precisión que ha probado tener este método normalmente se aplica a geometrías más complejas y tiene varios usos. En máquinas rotativas se utiliza como un indicador de la calidad del curado a la hora de barnizar los devanados, bajo este mismo objetivo se puede observar cuando existen cambios en el aislamiento, normalmente se utiliza diferentes modelos para reproducir el comportamiento del aislamiento para este fin se utilizan varias geometrías y se escoge la que duplique mejor la respuesta real. Figura 8.3 Módulo de las redes utilizadas para recrear la respuesta del aislamiento de los devanados. [10] Para el aislamiento de los devanados se ha observado que el modelo-H es el que mejor se ajusta a la respuesta real. Lo anterior es de suma utilidad, puesto que cualquier cambio en la capacidad dieléctrica del devanado se va a ver reflejado en la respuesta del mismo, y una comparación entre medidas anteriores o con los valores resultantes del modelo puede dar una idea del estado del devanado. 46 8.1 Espectroscopia dieléctrica y descargas parciales Cuando se le aplica un voltaje sinusoidal al devanado de las máquinas se producen contribuciones por las descargas parciales a las mediciones de la respuesta dieléctrica, estas contribuyen dependiendo de naturaleza a las pérdidas, producidas por descargas corona de arista a plano en el caso que se produzcan cerca del máximo de voltaje, o a la capacitancia cuando se produzcan cerca del cruce por cero Figura 8.4 Relación entre los patrones de las descargas parciales y contribuciones a la respuesta dieléctrica a) De naturaleza capacitiva b) Descarga corona arista-plano.[10] Otra manera de observar la influencia de las descargas parciales es realizando la transformada de Fourier sobre la señal de la corriente de las descargas parciales, dependiendo de donde se produzcan las descargas así se verá reflejado en los coeficientes de los componentes sinusoidales (bn) y componentes del coseno (an). Una buena combinación entre análisis de descargas parciales y una prueba de espectroscopia dieléctrica es de gran ayuda para dilucidar la naturaleza de la degradación de los materiales aislantes. CAPÍTULO 9: Conclusiones • Los generadores son una parte neurálgica en los sistemas de potencia, puesto que de ellos depende la generación de la energía, el tiempo que una de estas máquinas esté detenida significa energía no producida y por tanto no cobrada, evitar fallas en estos equipos se torna de vital importancia, para esto es necesario un protocolo de pruebas donde se tomen en cuenta los puntos más delicados de los sistemas de un generador. • El estator de un generador está expuesto a vibraciones, calor, humedad, suciedad de distinto tipo, y otros factores que afectan diferentes partes del mismo, el devanado de este debe tener además de un nivel de aislamiento eléctrico alto, también debe de dar cierta protección mecánica a los bobinados. • Las pruebas eléctricas son necesarias y son la única manera de conocer el estado de los aislamientos en los devanados, dependiendo del grado de información y precisión que se quiera obtener del nivel de aislamiento así serán las pruebas a realizar, con las pruebas tratadas en este trabajo se puede garantizar un conocimiento amplio del estado y envejecimiento del mismo. 47 48 • Además las pruebas ayudan a observar el progreso de ciertos fenómenos, tales como las descargas parciales las cuales también presentan un peligro latente en cualquier bobinado, puesto que el avance de estas puede llegar a producir fallas destructivas, las cuales pueden dejar inservible el devanado y por tanto al generador. • La prueba de FRA sí puede ser utilizada en los devanados de los generadores, siempre y cuando se conozca las limitaciones de la misma, su mayor logro es informar de un cambio en el circuito después de algún evento o trabajo de mantenimiento. • Costa Rica es un país tropical y como tal posee una humedad relativa muy alta, esto sumado a que la mayoría de la energía generada es hidroeléctrica entonces las casas de máquinas están en un ambiente muy húmedo, la escogencia de materiales y sistemas de aislamiento deben de ser acorde a esta situación, una buena elección más un buen control (pruebas) significará una mayor vida útil de los aislamientos. CAPÍTULO 10: Recomendaciones • Se tiene que tomar en cuenta a la hora de realizar las mediciones que los terminales posean una buena conexión, estén libres de suciedad, además un punto muy importante son las condiciones ambientales del lugar donde se van a realizar las pruebas, puesto que en muchas de ellas la temperatura, la humedad relativa, la altura sobre el nivel del mar, entre otros afectan las medidas y en ciertos casos hay que aplicar factores correctivos. • Aparatos que no sean parte del equipo a medir ni del equipo de medición es mejor que no estén conectados dentro del circuito de prueba, pues esto puede llevar a errores. • Otro cuidado que se tiene que tener es la de los cables en el caso de la prueba de FRA, ya que la longitud, el grosor, y el material de que están constituidos pueden cambiar la respuesta obtenida, el cuidado es el de utilizar los mismos cables en cada medición para que sea posible comparar ambas respuesta. 49 50 • Otra recomendación es la calibración periódica de los equipos de medida, puesto que se van a medir los datos cada vez que el generador se encuentre en mantenimiento y estos intervalos pueden distanciarse varios meses entre cada uno. • Por último dado los altos voltajes que se utilizan en algunas pruebas pueden significar peligro de muerte si no se toman las precauciones necesarias, estar siempre pendiente de los peligros que se puedan encontrar alrededor del lugar de prueba es una buena práctica. 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Valdivia, C. “Descargas Parciales En Transformadores Y Máquinas Rotatorias”. http://patricioconcha.ubb.cl/seminario_descargas_parciales/home.htm [10]. Gäfvert, U. “Dielectric Response Analysis of Real Insulation Systems”. IEEE international conference on solid dielectrics, USA, 2004. APÉNDICES Apéndice A. Corrección por temperatura de la resistencia del aislamiento. La temperatura juega un papel importante a la hora de realizar mediciones de la resistencia del aislamiento, dado que esta varía de manera inversa a la temperatura del devanado, por lo tanto una práctica recomendable es la de realizar las mediciones del aislamiento a una temperatura definida. Normalmente las mediciones se realizan después de que la máquina haya estado un tiempo prudente fuera de servicio, lapso necesario para que alcance una temperatura cercana a la del ambiente, en nuestro país no se presentan cambios drásticos de temperatura por lo que las mediciones normalmente van se van a poder comparar unas con otras, para casos especiales se tiene con una herramienta de corrección de temperatura usando la siguiente ecuación R C = K T RT [A.1-1] Donde RC es la resistencia del aislamiento (en megohms) corregida a 40ºC. KT es el coeficiente de corrección a la temperatura T ºC. RT es la resistencia del aislamiento medida (en megohms) a la temperatura T ºC. 53 54 Una aproximación del factor de corrección KT se puede obtener por medio de la siguiente figura la que indica que la resistencia se reduce a la mitad cada 10ºC de incremento en la temperatura del devanado Figura A.1 Coeficiente aproximado KT para aislamientos que se reducen a la mitad cada 10ºC de incremento en la temperatura.[3] Se debe hacer la salvedad que este coeficiente puede no ser muy exacto para aislamientos que no reduzcan a la mitad su valor con un aumento de 10ºC. Para estos casos se recomienda graficar los datos de la resistencia del aislamiento en una escala logarítmica versus la temperatura del devanado en ese momento bajo una escala lineal, lo que resulta en un gráfico semi-logaritmico, con el cual se puede extrapolar para obtener el valor corregido a 40ºC. ANEXOS ANEXO A. Equipos utilizados para las pruebas eléctricas Figura B.1 Probador de aislamiento. 55 56 Figura B.2 Equipo de medición del factor de potencia y tan δ. 57 Figura B.3 Equipo de medición de la respuesta en frecuencia (FRA). 58 Figura B.4 Equipo de medición de la resistencia de los devanados. 59 Figura B.5 Equipo para realizar la espectroscopia dieléctrica. ANEXO B. Pasos a seguir al aplicar las pruebas eléctricas A la hora de realizar una prueba a algún equipo se deben seguir varios pasos para garantizar que el dato que se mide refleje la realidad del valor. Para mayor información acerca de las pruebas referirse a su desarrollo en su respectivo capítulo. B.1 Resistencia del aislamiento. Para medir la resistencia de aislamiento, se debe registrar la humedad relativa, el punto de rocío, la temperatura del devanado, cantidad de tiempo fuera de servicio, voltaje de prueba, y disposición de los devanados a la hora de la medida, también es importante convertir la medida a una base de 40º C para futuras comparaciones. No es necesario que la máquina esté detenida, pues en ciertos casos es deseable que esta se encuentre en movimiento, también es de utilidad hacer mediciones durante el proceso de secado de la máquina esto con el objetivo de observar el comportamiento durante el secado. Para obtener las medidas usualmente se utiliza equipo especializado para tal fin, puesto que existen en el mercado variedad de estos equipos se recomienda leer el manual o solicitar capacitación antes de manipular estos equipos para obtener las medidas. 60 61 B.2 Resistencia interna. La manera de realizar esta prueba es la de calcular la resistencia (o conductancia) por medio de la ley de ohm haciendo pasar una corriente directa a través del devanado y midiendo el voltaje producido. Las resistencias a ser calculadas va a ser muy pequeñas, existen varios equipos comerciales que miden la resistencia con la exactitud de un 1% necesaria. En el caso de los devanados del estator se recomienda medir cada fase de manera individual entre los terminales de fase y los de neutro por medio de los anillos deslizantes. La resistencia en DC se ve fuertemente afectada por la temperatura del devanado, esto porque a mayor temperatura la resistencia tiende a subir, es por esto que para graficar el desarrollo de un devanado a través del tiempo se aplica una corrección por la temperatura, esta es R20 = RT 1 + (T − 20) / 255.5 [B.2-1] Donde R20 es la resistencia a 20 grados Celsius, RT es la resistencia medida a la temperatura T. De los datos medidos de la resistencia se puede obtener mayor información si estos se comparan entre fases, entre devanados de máquinas idénticas, o con el historial del devanado. En el caso de las medidas de resistencia de los devanados de un estator, estas deben de tener una diferencia de 1% entre fases en el caso de bobinas preformadas y 3% en bobinas de alambrado común, en el caso que una de las fases presente una resistencia más 62 alta puede significar que hay un problema con el devanado de esta fase, ya sea una espira rota o una mala conexión en el alambre. Cuando se comparan los valores de la resistencia en máquinas idénticas, estos deben de cumplir con un máximo de 5% de diferencia entre los devanados. Para el caso de máquinas rebobinadas estas deberán cumplir el criterio de diferencia máxima de 1 % entre sus devanados. Aun así la manera más útil para observar el deterioro en el bobinado es la comparación con las medidas en el historial de la máquina, para esto se debe de usar la medida corregida a la misma temperatura, es prudente usar siempre el mismo instrumento, un aumento de un 1% en la resistencia puede significar desgastes en los conductores del devanado. B.3 Descargas parciales. Para la medición de las descargas parciales en los bobinados del estator estos son energizados con el voltaje nominal de fase por medio de una fuente de alimentación externa, y empleando un detector de descargas parciales. 63 Figura C.1 Esquema básico del circuito para la medición de descargas parciales. [9] Para filtrar las señales de la frecuencia de la red, se utiliza un capacitor de alto voltaje lo que permite que los pulsos de alta frecuencia de las descargas parciales lleguen al detector. El procedimiento más común es el de aumentar gradualmente la tensión de la fuente de alimentación hasta que los pulsos pertenecientes a las descargas sean visibles en el instrumento de medida, al nivel de tensión donde inician las descargas se le llama voltaje de inicio de descarga (DIV) y al voltaje donde las descaras se extinguen se le llama voltaje de extinción de descargas (DEV), normalmente DIV > DEV. En la detección de las descargas parciales en bobinados de máquinas fuera de línea existen ciertos inconvenientes, • Puesto que el bobinado completo se energiza junto con el punto de neutro existen varios lugares con voltaje que normalmente en servicio no lo estarían, que puede llevar a que se produzcan pulsos que lleven a una interpretación errónea por parte del operador. • Otro problema está en que dado que la máquina está detenida, las descargas parciales generadas entre ranuras sueltas no se van a presentar puesto que no hay vibración. 64 Figura C.2 Configuración instrumental de la prueba de detección de descargas parciales. [9] FiguraC.3 Representación de las descargas parciales a) con una base de tiempos elíptica b) con una base de tiempos lineal. [9] 65 B.4 Factor de potencia y factor de disipación (tan δ). Existen dos maneras de medir las pérdidas dieléctricas, estas se basan la comparación de los aislamientos de los devanados con el dieléctrico en un capacitor. Factor de disipación (tan δ), para esta medición se necesita una precisión muy alta, por lo que se utiliza un equipo tipo puente de Schering, donde un circuito con una capacitancia y una resistencia se varían para obtener el mismo voltaje y ángulo de fase (tan δ) que los medidos en el devanados bajo prueba, después de los valores de R y C que se obtuvieron en el instrumento se calcula el factor de disipación. Para los materiales con un bajo factor de disipación, el factor de potencia y el factor de disipación son prácticamente el mismo, este puede ser calculado al medir el voltaje y la corriente resultante entre el cobre y el núcleo del devanado, al mismo tiempo la potencia disipada puede ser medida por un watimetro, entonces se tiene que el factor de potencia es, FP = W V ⋅I [B.4-1] Las medidas se pueden hacer usando un voltaje relativamente bajo, pero se corre el riesgo que se observen falsos resultados debido a interferencia causada por capacitancias o inductancias de otros equipos energizados, por lo que se recomienda hacer las mediciones a alto voltaje. 66 B.5 Análisis de la respuesta en frecuencia (FRA). Para la aplicación de esta prueba se deben de tener en cuenta varios factores, el equipo usado para realizar la medición es muy susceptible a cambios en el circuito, por lo tanto, cualquier cambio en los cables o una mala conexión producirá una lectura errónea. Para obtener las medidas usualmente se utiliza equipo especializado para tal fin, puesto que existen en el mercado variedad de estos equipos se recomienda leer el manual o solicitar capacitación antes de manipular estos equipos para obtener las medidas. B.6 Espectroscopia dieléctrica. La aplicación de esta prueba es muy novedosa en el país, esta se aplica principalmente en devanados de transformadores, pero sirve para observar el comportamiento de los aislamientos en cualquier devanado. Para este proyecto se emplea la prueba también en devanados de generadores, para aplicar esta prueba se recomienda estudiar el manual del fabricante y obtener información de la máquina a probar, puesto que se utiliza un modelo eléctrico y este depende de la disposición física de los devanados para lograr una respuesta que se adecue a la realidad.