LAS PROTECCIONES DE LOS MOTORES Y GENERADORES.
Jaime Acuña Jiménez.
La construcción de estas máquinas se basan en el manejo de los efectos electromagnéticos causado por las corrientes eléctricas que por sus elementos transcurren.
De ahí que cuando se habla de protecciones para los generadores o motores, tenemos en mente equipos o aparatos que supervisan y monitorean estos niveles y la conservación de las condiciones de funcionamiento y seguridad.
Las magnitudes eléctricas que tenemos que atender entre otras son las de corrientes eléctricas, los niveles de voltaje, las medidas de la energía entregada, factor de potencia, energía reactiva, energía activa, energía consumida, y otros efectos producidos por el trabajo de la corriente eléctrica, o vigilar la condición de funcionamiento que evite la destrucción de los equipos.
Dentro de los parámetros más importantes que condicionan la destrucción de estos equipos, están los niveles de aislamiento de sus partes conductoras eléctricas en general. Por eso es de vital importancia vigilar que en cuestión de aislamiento, las máquinas eléctricas siempre estén dentro de los valores de seguridad. La importancia de vigilar estos elementos no es el temor a que funcionen mal, sino que fallen al momento de necesitarlos, y/o produzcan accidentes que involucren daños a personal de operación. Una salida de funcionamiento de un generador es indeseable pero la consecuencias de no dispararlo y dañar la máquina podrían llegar a ser considerablemente costosas, no solamente se tienen en cuenta el costo de la reparación, o el reemplazo de la máquina dañada, sino el costo substancial del suministro urgente de la energía de reemplazo y en el algunos casos la pérdida de vidas humanas.
Dentro de la normatividad que define y reglamenta las pruebas de estado de los devanados de un Arrollamiento de motor o generador se encuentran las siguiente:
1) Norma IEEE 43-2000: resistencia de aislación e índice de polarización (máquinas nuevas y usadas)
2) Norma IEEE 95-2002: ensayos de alta tensión continua (máquinas nuevas y usadas)
Algunos detalles de estas pruebas:
IEEE 43 – RESISTENCIA DE AISLACIÓN E ÍNDICE DE POLARIZACIÓN (IP)
Este es sin duda el ensayo más ampliamente utilizado para diagnóstico de estatores de motores y generadores. El mismo determina problemas de contaminación en los bobinados. La resistencia de aislación y el índice de polarización se han usado por más de 70 años. Ambos ensayos se realizan con el mismo instrumento, y a la vez. La última revisión de la norma IEEE 43 fue en 1974.
Objeto y teoría
El ensayo de resistencia de aislación mide la resistencia de la aislación eléctrica entre los conductores de cobre y el núcleo del estator. Idealmente esta resistencia es infinita, pero en la realidad tiene un valor finito. Generalmente, cuanto menor es el valor de la resistencia, mayor es la probabilidad de que exista un problema.
Por otro lado, la medida del índice de polarización (IP) es una variante del ensayo de resistencia de aislación. El IP es la relación entre las medidas de resistencia de aislación a los 10 minutos (R10) y a 1 minuto (R1) de aplicada la tensión de ensayo. Es decir: IP = R10/R1.
Un IP bajo indica que el bobinado puede estar contaminado con aceite, suciedad, etc. o húmedo. En el ensayo se aplica un valor alto de tensión continua entre los conductores y el núcleo. A continuación se mide la corriente It que circula. La resistencia de aislación (Rt) en el instante t es: Rt = V/It, donde V es la tensión continua aplicada e It es la corriente total medida luego de t minutos.
Se hace referencia al tiempo t porque la corriente generalmente no es constante. Esto es así pues existen cuatro corrientes que circulan al aplicar una tensión continua a la aislación del estator de un motor:
1. Corriente capacitiva. Cuando se aplica una tensión continua a un condensador, circula una alta corriente de carga al principio y luego decae exponencialmente. El tamaño del condensador y la resistencia interna de la fuente de continua determinan la velocidad de decaimiento de la corriente. El bobinado de un motor puede tener una capacidad total de 100 nF. La corriente decae a cero en menos de 10 segundos. Esta corriente capacitiva no brinda ninguna información que sirva para el diagnóstico y por eso se mide la resistencia de aislación una vez que ésta desaparece.
2. Corriente de conducción. Esta corriente se debe a los electrones e iones que migran a través de la aislación entre el cobre y el núcleo. Esta corriente circula si la aislación ha absorbido humedad, lo que puede suceder en sistemas de aislación termoplástica antiguas o en aislaciones modernas si han estado expuestas a la acción de agua por tiempo prolongado. Esta corriente también está presente si hay fisuras, cortes, orificios y existe contaminación que permita la circulación de corriente. Esta corriente es constante en el tiempo. En aislaciones modernas esta corriente es nula si no hay fisuras, dado que los electrones e iones no pueden moverse a través de resinas epoxi con mica. Aislaciones antiguas asfálticas con mica tienen corrientes de conducción dado que absorben humedad. Cuando esta corriente es importante es indicación de problemas.
3. Corriente de fuga superficial. Esta es una corriente continua constante que circula por la superficie de la aislación. Está causada por contaminación parcialmente conductora (aceite o humedad junto con polvo, suciedad, cenizas, químicos, etc.). En el caso ideal esta corriente es nula. Si esta corriente es grande es probable que exista un deterioro en la superficie.
4. Corriente de absorción. Esta corriente se debe a una reorientación de las moléculas polares presentes, al aplicarse un campo eléctrico de continua. Muchos materiales aislantes contienen moléculas polares que tienen un campo eléctrico interno debido a la distribución de los electrones dentro de la molécula. Un ejemplo es el agua. Cuando se aplica un campo eléctrico a través del agua, sus moléculas se alinean. La energía requerida para esta alineación la proporciona la corriente de la fuente de tensión continua. Una vez que las moléculas están todas alineadas la corriente se hace cero. En el asfalto, la mica, el poliéster y la resina epoxi existen moléculas polares. En la práctica se ve que inicialmente la corriente de absorción es grande al principio y decae con el tiempo luego de unos minutos, como si se tratara de un circuito RC. Esta corriente, al igual que la capacitiva, no es indicio de nada bueno ni malo, es simplemente una propiedad de los materiales aislantes.
La corriente total It es la suma de todas estas corrientes. Por desgracia, ninguna de estas corrientes individuales se puede medir directamente. Las corrientes de interés para el diagnóstico de la aislación son la corriente de fuga y la de conducción. Si sólo se mide R1 (resistencia a 1 minuto), la corriente de absorción todavía tiene un valor importante. Sin embargo, si la corriente total es suficientemente baja, R1 puede considerarse satisfactoria. Desafortunadamente, la medida de R1 exclusivamente, ha demostrado ser poco confiable dado que no se puede tener una tendencia a lo largo de la vida útil de la máquina. Esto se debe a que la resistencia de aislación es fuertemente dependiente de la temperatura. Un aumento de 10oC en la temperatura puede reducir entre 5 y 10 veces el valor de R1. Lo que es peor aún es que el efecto de la temperatura es diferente en los distintos materiales aislantes y depende también de la contaminación. A pesar de que la norma IEEE 43 proporciona fórmulas y tablas de corrección para la temperatura, se admite que no son confiables para extrapolaciones mayores a 10oC. El resultado es que cada vez que se mide la resistencia de aislación R1 a diferentes temperaturas se obtiene un valor diferente. Esto hace imposible definir un límite para R1 en un rango de temperaturas amplio. También es imposible observar tendencias a lo largo del tiempo a menos que la medida se haga siempre en las mismas condiciones.
Comportamiento típico de resistencia de aislación en un período de varios meses bajo condiciones variables de operación (curvas trazadas con las lecturas puntuales de un instrumento Megger).
Referencia Bibliográfica:
Documento de: Ing. Jorge Fernández Daher CONATEL S.A.
El Ing. Fernández Daher es miembro de IEEE y especialista en mantenimiento eléctrico.
