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GENERADOR DE IMPULSO DE SOBRETENSION E.L.M.-10 PARA PROBAR DEVANADOS ELECTRICOS EN MOTORES Y TRANSFORMADORES
En los motores y transformadores eléctricos, pueden realizarse diversas medidas para reconocer el estado de su aislamiento, y de la integridad de las bobinas que forman los devanados. Para realizar esta pruebas se puede medir la rigidez dieléctrica a tierra por medio de un mega óhmetro el cual mide resistencia usando corriente continua, también podemos medir la corriente de fuga a tierra mediante un medidor de aislamiento que mide el aislamiento usando corriente alterna, los dos métodos miden parámetros entre las fases o entre fases y masa. Además de éstos métodos se puede medir la resistencia de los hilos con un micro óhmetro para comparar que los valores de resistencia óhmica medidos son idénticos en las tres fases, o por el contrario existe diferencia lo cual representaría una disminución de las espiras de las bobinas que se encuentren parcialmente puenteadas, o también pueden presentarse conexiones flojas que pueden ser verificadas mediante ésta última medida. Otra medida de interés consiste en medir la inductancia de cada devanado para compararlo con los otros de las fases distintas y así observar diferencias de inductancia en las bobinas. En el caso de los transformadores, el medidor de relaciones de transformación puede verificar que los voltajes transformados por los devanados de AT y BT coinciden con los de la placa de características, resultando que una desviación de los voltajes en más de un 0,5 % significa que existen problemas con el número de espiras por varios motivos como puentes entre los hilos de las bobinas o bobinas con hilos cortados. Todas estas medidas se realizan a bajo voltaje, excepto la de mega óhmetro, pero este suministra una intensidad muy pequeña del orden de un mili ampério, o poco más, con esto queremos decir que el aparato evaluado, no puede ser sometido con ningúno de estos métodos a una carga de energía elevada para probarlo, y por lo tanto no pueden descartarse todas las anomalías que pueden darse en los devanados de motores y transformadores, sobre todo las anomalías más difíciles de averiguar.
En el caso de que los demás métodos de medida no muestren ninguna anomalía o no encuentren el origen de un problema de aislamiento en los devanados de motores o transformadores que producen el disparo de las protecciones contra sobrecorriente o defecto a masa, "solo" cuando el devanado es alimentado con la tensión de red. En estos casos se trata de contaminación o debilidad de aislamiento entre los hilos de las bobinas, que producen un "puenteo" parcial entre espiras cuando al devanado le llega la tensión nominal de la red. Puede ocurrir también que la contaminación o debilidad de aislamiento suceda entre el devanado y la masa, y produzca el disparo de la protección diferencial solo cuando el motor o transformador es conectado a la red.
En los casos anteriores donde los demás métodos de evaluación con diferentes instrumentos de medida, no pueden localizar la fuente de la anomalía que causa el disparo de las protecciones, solo el generador de impulso de sobretensión E.L.M.-10 es capaz de localizar la fuente del problema, gracias a la elevada energía que suministra durante el tiempo que duran los impulsos, típicamente 0,000001 seg. = 1 micro segundo, con ello no se daña el aislamiento, a no ser que éste ya se encontrase dañado o contaminado, en este caso se producirá un puenteo momentáneo durante el tiempo que dura el impulso en la zona de bajo aislamiento, que será mostrado en la pantalla de instrumento en forma de oscilograma desplazado a la izquierda en comparación con una referencia tomada anteriormente, o con las otras dos fases.
El siguiente dibujo muestra un oscilograma de respuesta a un impulso se tensión enviado a un devanado, en el mismo se pueden medir diferentes parámetros para identificar distintos tipos de anomalías. En este dibujo ejemplo se mide y compara de forma automática el área obtenida por el registro del analizador para determinar si existen bobinas que producen cortocircuito entre las espiras solo cuando se alimenta el devanado, la diferencia entre los resultados de dos impulsos a dos bobinas iguales significa la existencia de un arco voltaico que puentea parte de las espiras, cuando se le aplica un impulso de tensión.
El dibujo inferior muestra la evolución del aislamiento de los devanados eléctricos en el tiempo, en relación con la vida útil y en número de sobretensiones que recibe durante el funcionamiento.
La norma IEEE 522 item 6.2 establece el nivel de tensión que debe ser utilizado para un ensayo de sobretensión, es determinado por la siguiente ecuación: V2 = 3,5 [(√² ²/₃) V Línea], aproximadamente resulta 2,85 veces el voltaje de alimentación de Línea. Por ejemplo, para una alimentación de 400 V RMS, el voltaje de prueba adecuado según dicha ecuación será 1.140 V, lo cual equivalen a 1.612 V de Pk (pico) para una prueba de impulso. Otras normas más antiguas recomiendan un voltaje de ensayo realizado utilizando CC (corriente continua) de V RMS X 2 + 1.000 V , para una red de 400 V serán 1.800 V CC, esta tensión debe ser usada para pruebas en fabrica, del tipo Pasa/No pasa, en campo esta tensión de CC debe ser de V RMS X 2 + 1.000 V X 0,7, que equivalen a 1.350 V CC administrados al devanado durante al menos 1 minuto. La diferencia con la prueba de impulso a una tensión mayor, es que ésta última tiene una duración de algunos µs (micro segundos), lo cual significa que es una prueba no destructiva, en comparación con la prueba de CC que es considerada como prueba destructiva por el tiempo que dura para cargar la capacidad intrínseca del propio aislamiento.
Como hemos citado anteriormente, en los devanados eléctricos puede existir una anomalía que no es frecuente, la cual no es mostrada con ninguna de las medidas anteriores de resistencia o aislamiento, es el caso de contaminación entre espiras de la misma bobina, que al llegar la tensión de alimentación, surge un arco voltaico (cortocircuito) parcial entre las espiras cercanas que tienen debilitado el aislamiento a causa de contaminación por suciedad o por envejecimiento del aislante de los hilos. En éstos casos, los defectos en el devanado pueden ser corregidos antes de que evolucionen a peor, o se conviertan en una avería. En estas circunstancias conviene utilizar un generador de impulso de sobretensión que tenga capacidad para inyectar un voltaje igual al de funcionamiento del devanado o superior para que surja el arco voltaico entre hilos de la misma bobina con aislamiento débil o con contaminación, si es que existe.
El dibujo siguiente muestra diferencias de tiempo o fase entre dos oscilogramas registrados en los devanados de un motor, como resultado de inductancias diferentes por diversas causas como conexiones sueltas, o errores de conexión.
El principio de funcionamiento del generador de impulso de sobretensión se basa en los cambios de inductancia que se producen mediante el envió al devanado de un impulso de sobretensión de muy corta duración, el cual produce una oscilación a la frecuencia natural de resonancia de la bobina examinada. Si surge un arco entre las espiras con debilidad de aislamiento, se producirá una disminución de la inductancia de la bobina, por puenteo momentáneo de parte de las espiras de una o de varias bobinas, producido por el arco eléctrico, que se traducirá en un número menor de espiras durante el tiempo que dura dicho arco, en consecuencia se produce una frecuencia de resonancia más elevada debido al menor número de espiras, en comparación con las bobinas que no presentan defecto. El defecto es visto en la pantalla del instrumento como un oscilograma desplazado a la izquierda del oscilograma de referencia o del resto de los oscilogramas de las otras bobinas que no presentan defecto.
Las diferencias entre las bobinas sanas y las bobinas con aislamiento defectuoso generan diferencias en el área examinada por el analizador, el primer modo de examinar el devanado consiste en comparar 6.000 puntos de registro para formar el área que se compara con la referencia. la segunda forma de examinar el devanado consiste en medir la diferencia de fase, o de tiempo, entre la onda de referencia con el mismo número de registros. La referencia puede ser cualquiera de los tres devanados de una máquina trifásica, entre los cuales no debe existir una desviación máxima que es programable. Existen otras dos formas de medir diferencias, la tercera es por comparación de las descargas corona, y la cuarta por diferencias de fase del área. Cada modo está estrechamente relacionado con un tipo de falla de las bobinas de un devanado.
Los núcleos magnéticos de hierro de los motores o transformadores pueden presentar cierta cantidad de remanencia magnética residual que es normal debido al ciclo de histéresis ejercido por la corriente alterna sobre los núcleos metálicos de hierro de los transformadores y motores. Dicha remanencia o histéresis perjudica la exactitud de las medidas eléctricas de todo tipo, incluidas las de impulso. El generador de impulso E.L.M.-10 puede enviar automáticamente uno o varios impulsos muertos para eliminar la remanencia magnética presente en el núcleo magnético de hierro, con el objeto de que las medidas alcancen la mayor exactitud posible, antes de enviar los impulsos de medida.
En la imagen siguiente podemos ver en la pantalla del analizador de impulso de sobretensión E.L.M.-10 dos oscilogramas obtenidos durante un ensayo realizado a un motor de 550 KW con tensión nominal de 400 V que acciona una bomba de uno de nuestros clientes, donde se aprecia en el resultado del análisis, que las trazas son diferentes, en éste caso la traza de color amarillo corresponde a una de las fases del devanado eléctrico en mal estado que contiene contaminación entre las espiras. Dicha contaminación provocaba un defecto de puenteo por arco voltaico entre parte de las espiras cuando se intentaba alimentar el devanado del motor para accionar la bomba, produciendo el disparo de las protecciones eléctricas por sobrecarga en el arranque. Este motor fue descontaminado, pudiendo continuar su operación. El analizador de devanados eléctricos por impulso de sobretensión es un instrumento extremadamente sensible a los cambios de inductancia, que puede mostrar diferencias muy pequeñas entre las bobinas.
El sistema de medida por impulso de sobretensión para comprobar devanados puede contribuir a un debilitamiento del aislamiento, si la magnitud del voltaje de los impulsos de sobretensión enviados al devanado son de voltaje mucho más elevados que el propio voltaje de funcionamiento del aparato bajo ensayo, por esta causa se ha de tener precaución en el ajuste de tensión de los impulsos iniciales, e incrementar su magnitud hasta cierto nivel que no debemos superar, si no aparece el defecto. El instrumento puede ser ajustado para que los impulsos de tensión se generen con una rampa ascendente de tensión, y se produzca el cese de los impulsos al detectarse un determinado umbral que es ajustable. En la práctica un aumento de tensión del 200 % superior al voltaje de funcionamiento del aparato ensayado será suficiente, una tensión superior podría producir una anomalía que antes no existía, sobre todo en aparatos eléctricos antiguos, o con muchas horas de funcionamiento. Aunque de eso se trata, de que dieléctrico del devanado eléctrico pase o no pase la prueba, y en su caso, falle durante la prueba y no durante sus operación. En ocasiones deberemos de someter el aislamiento de un devanado a una tensión lo suficientemente elevada como para que muestre el defecto, si es que existe, por ejemplo, cuando suceden disparos de la protección diferencial o de la protección contra sobre corriente solo cuando se alimenta el devanado con la tensión de red, y las demás medidas no muestran suficientemente ningún defecto. El voltaje de Pk (pico) de una onda eléctrica de 400 V AC RMS, es igual a: 400 V X √² = 566 V, a dicho voltaje ha de sumarse el voltaje de la fase contraria que alimenta en el mismo instante a la esa fase, con lo cual tenemos un voltaje máximo de Pk a Pk (pico a pico) de 852 V aproximadamente, como podemos apreciar en la imagen inferior. Con todo ello, por seguridad, el voltaje máximo que conviene aplicar para la prueba de impulso para un motor con cierta edad de funcionamiento es del 200 % del voltaje de Pk a Pk, en este caso son 1600 V. Ver en la siguiente imagen (Tensión positiva instantánea) y (Tensión negativa instantánea), que coinciden al mismo tiempo, en el mismo grado eléctrico, la suma de estas dos tensiones equivale al voltaje máximo instantáneo de una red de 400 V AC RMS de 50 Hz.
A los motores de gran tamaño con mucha edad de funcionamiento de los cuales no podemos prescindir, conviene realizarles una prueba de impulso de sobretensión para determinar la condición de su aislamiento. Esta prueba se ha de realizar preferentemente durante los tiempos de parada de producción, o en las rutinas de mantenimiento, con el objeto de prolongar el máximo la vida útil de su devanado, realizando las correcciones necesarias en el devanado antes de que llegue a la falla, evitando de este modo el coste para la realización de un nuevo devanado, o el coste de un motor o transformador de recambio, o la una parada imprevista por avería. En caso de un aislamiento débil, el aislamiento de los devanados eléctricos puede ser regenerado mediante un tratamiento VPI, recuperando casi las condiciones originales y prolongando así la vida útil del mismo.
Los transformadores antiguos o con muchas horas de operación contienen pequeñas fisuras en el barniz aislante de los hilos de los devanados que se producen con el tiempo de operación, la temperatura, y la vibración que ocasionan los campos magnéticos durante el funcionamiento, etc., estas pequeñas grietas o fisuras pueden derivar el un cortocircuito entre espiras juntas en presencia de tensiones anormalmente elevadas como las que ocasionan las descargas atmosféricas o los pulsos de sobre voltaje que suceden en las conmutaciones de cargas de elevada potencia o por micro cortes del suministro eléctrico. Si el aislamiento de los hilos de los devanados se encuentra disminuido por las causas citadas anteriormente, el puenteo entre los hilos, o incluso un cortocircuito puede ser posible, con consecuencias desastrosa para el transformador. Por estos motivos conviene realizar una prueba de impulso de sobretensión a los devanados de los transformadores antiguos o con muchas horas de funcionamiento continuado, para verificar el estado del aislamiento de los hilos que forman las bobinas de los devanados. Si la prueba falla, estaremos a tiempo de solucionar el problema mediante un curado VPI del devanado antes de que progrese a peor y se convierta en una avería del transformador, que tiene siempre un coste muy superior al del curado, sin contar los problemas y gastos no previstos que puede ocasionar la parada del mismo, o la falta de producción. En la misma línea de soluciones, véase también en esta Web el apartado SFRA Análisis de Respuesta por Barrido de Frecuencia, en la barra de menú superior, o puede pinchar directamente en el siguiente enlace /sfra-analisi-de-respuesta-en-barrido-de-frecuencia
El ensayo de impulso de sobretensión sobre devanados eléctricos conviene realizarlo cuando las otras medidas de resistencia, de aislamiento, y de inductancia, incluido la medida de relaciones de transformación en transformadores, no manifiestan un defecto que está presente, o se sospeche que existe como por ejemplo, cuando sucede el disparo de alguna de las protecciones eléctricas solo cuando se alimenta con la red al motor o transformador. En estos casos solo la prueba de impulso puede verificar la presencia o ausencia de un puente entre los hilos de las bobinas, producido por la contaminación o defectos del aislamiento entre lo hilos de la misma fase o bobina.
El desarrollo tecnológico esta en continua evolución, Los instrumentos actuales para realizar medidas eléctricas quedan obsoletos en poco tiempo, superados por aparatos nuevos con mayores prestaciones. Bajo esta filosofía Montajes Alhama S.L.U. evoluciona constantemente sus equipos de medida para que dispongan del conjunto de técnicas más actual en los campos de firmware, software, y electrónica, con ello se consigue que los equipos adquiridos se conviertan en una inversión segura a largo plazo porque utilizan siempre la técnica existente de mayores prestaciones.