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Variaciones en la Sobretensión (Hi-Pot)

por Howard Penrose, SUCCESS by DESIGN

Hemos comentado antes sobre conceptos básicos y trucos relacionados con las pruebas de motores eléctricos en los últimos meses. Este mes, discutiremos la prueba de sobretensión (de ahora en adelante Hi-Pot por sus siglas en ingles) y sus variedades de tipos y usos para la evaluación de aislamiento de sistemas eléctrico motrices a tierra.

El uso de esta prueba ha estado presente en los últimos cien años, parecido a la prueba de aislamiento a tierra, excepto que la prueba de Hi-Pot es una prueba de estrés.

Los Diferentes Métodos de Prueba de Hi-Pot

Hay tres tipos básicos de pruebas de Hi-Pot utilizadas para pruebas en sistemas eléctricos de aislamiento, incluyendo a la propia maquinaria de rotación y el cable que proporciona la energía. Estos incluyen la Hi-Pot AC, la Hi-Pot de DC y la Hi-Pot de Muy Baja Frecuencia. Cada una de éstas tiene sus usos específicos, fuerzas y peligros potenciales al operario y al equipo para ser probados.

La prueba de Hi-Pot AC. Es estrictamente una prueba de pasa/falla realizada en un valor dos veces el voltaje de la placa de identificación de la maquina más 1.000 Voltios para nuevas máquinas aplicados por un minuto. Para sistemas de aislamiento usados, el valor que es aplicado debe ser de 125% a 135% del valor de la placa de identificación por un minuto. A causa de los voltajes altos aplicados, y la dificultad de controlar la corriente de carga, si un defecto de aislamiento es descubierto, generara rastros de carbón a través del defecto y de otras áreas débiles del sistema de aislamiento, destruyéndolo. Los voltajes altos, y el potencial de corrientes altas, también generaran un posible peligro al personal que realice las pruebas.

La prueba de Hi-Pot DC es realizada utilizando energía DC en un valor de dos veces el voltaje de la placa de identificación de la maquina más 1.000 Voltios con la suma total multiplicada por la raíz cuadrada de tres para nuevos sistemas de aislamiento. El nuevo valor del sistema del aislamiento multiplicado por 65% a 75% para el valor probado en sistemas de aislamiento usados. La corriente de carga y la merma de corriente pueden ser vigiladas durante este tipo de prueba. Esta prueba también puede ser peligrosa a la condición del sistema de aislamiento, así que un método alterno puede ser aplicado conocido como la prueba de voltaje-paso. En esta prueba, el voltaje es traído a 500 o 1.000 Vdc a la vez. La corriente brevemente alcanzara picos, entonces disminuirá, que se relaciona a la corriente de carga. La corriente que el valor se decide por, es referida como la corriente de merma.

La Frecuencia Muy Baja (VLF, por sus siglas en ingles) DC Hi-Pot fue utilizada originalmente en pruebas de cable para detectar sistemas de aislamiento de “horma” (fracturas diminutas). La VLF Hi-Pot aplica una frecuencia de 0.1 Hz al sistema de aislamiento que “excita” el sistema de aislamiento. Esto presenta una oportunidad la prueba de maquinaria de rotación con el poder de AC Hi-Pot y la protección de DC Hi-Pot.

Teoría Básica de Aislamiento Eléctrico

El circuito eléctrico del aislamiento es modelado como una serie de circuitos paralelos de RC entre conductores y tierra. Al ocurrir cambios al sistema del aislamiento, los valores de R y C cambian. Los valores del aislamiento en cada fase son la suma de los valores de RC de vuelta a vuelta y de bobina a bobina de cada fase. Los valores de aislamiento a tierra son la suma del aislamiento entre conductores y conductores y tierra para el circuito completo.

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La capacitancia del aislamiento eléctrico es una función directa de la generación de dipolos dentro del sistema de aislamiento. Cuando un campo es generado a través de un átomo, molécula, de un dieléctrico, polarizará, significando que la órbita de electrón de un átomo cambiará ligeramente, haciendo un lado del átomo más positivo y uno más negativo.

Cuando la corriente pasa por los conductores cerca del aislamiento eléctrico, el aislamiento reacciona polarizando los átomos (dipolos) dentro del aislamiento, como es mostrado en la Figura 2. Cuando los dipolos polarizan, hay menos merma (capacitancia) entre los conductores y tierra. Esto también ocurre en el sistema de aislamiento entre conductores cuando hay una diferencia en el potencial. En un sistema bueno de aislamiento, la polarización del sistema de aislamiento ocurre en un número más grande de átomos. Una vez que el potencial es removido, los átomos vuelven a su estado original (dipolos aleatorios).

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El mismo efecto ocurre en un campo magnético. Los dipolos magnéticos del contrahierro y los dientes del centro del estator forman fila hacia el campo magnético. Esto ayuda directamente el flujo magnético y añade a la fuerza de los campos dentro del vacío. La renuencia del acero para cambiar polaridad aparece como pérdida de histéresis del campo. Una vez que el campo es removido, los dipolos magnéticas del acero aleatorizan rápidamente.

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Las descripciones anteriores para la polarización del aislamiento eléctrico y del alma de acero representa la aplicación de estado-constante de un voltaje potencial aplicado. En un sistema de tres fases que esta operando, los efectos se vuelven más emocionantes. Cuando cada fase sinusoidal de voltaje es impresionada a través de los bobinados:

• Como el voltaje comienza de cero, el comienzo de la bobina se energiza, los dipolos aislados

entre el aislamiento a tierra y los conductores dentro de la bobina son forzados a polarizar.

• Como el voltaje continúa subiendo, el potencial al principio de la bobina es más alto que el final, los dipolos aislados continúan polarizándose y los dipolos magnéticos comienzan a polarizar hacia el flujo magnético generado por las bobinas.

• Cuando el voltaje llega a su pico al principio de la bobina, una mayoría de los dipolos magnéticos y aislados asociados con el comienzo de la bobina han polarizado y los que se encuentran al final de la bobina continúan polarizando. Hay una demora en los campos entre el principio y el fin de la bobina, que causa que un potencial entre conductores exista.

• Como el voltaje comienza a disminuir, los dipolos aislados y magnéticos comienzan a aleatorizar (se mueven a neutral) al principio de la bobina y liberan energía de nuevo al sistema mientras los campos se colapsan. Los campos al final de la bobina llegan a su pico y entonces comienzan a disminuir.

• El voltaje se aproxima a cero, entonces pasa a la secuencia negativa de la onda de seno. Los dipolos y los campos continúan reaccionando, pero se alinean en sentido contrario (como en una acción de pistón). Definiremos esta acción como “vuelta bipolar” tanto del aislamiento eléctrico y del dipolo de acero magnético.

El potencial alto de la mayoría de los motores eléctricos fuerza los cambios a los campos y dipolos a suceder rápidamente. Como resultado, el trabajo es realizado y se genera calor.

La Capacitancia de cada porción del circuito es dada, en cualquier momento como:

[1]

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Dónde un aislante existe entre los conductores y conductores a tierra. La carga inducida, q, aumenta la capacitancia por la proporción Q/(Q-q). La proporción Q sin dimensión/(Q-q) es una propiedad de la polarizabilidad del material y es referida como la susceptibilidad eléctrica, Xe. En la frontera de cada sistema de aislamiento (conductores, ranura, fase, etc.), las condiciones de la frontera son tales que:

[2]

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Dónde representa la permitivilidad relativa de la frontera de la superficie de aislamiento. Dividiendo cada fase en tubos y segmentos, la capacitancia total para segmentos m y tubos n a través del sistema sería:

[3]

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La inductancia del circuito puede ser figurada como la unión de flujo por unidad de corriente, y es representada por la unidad Henry (H):

[4]

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Para un motor con n bobinas, la inductancia puede ser definida:

[5]

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Dónde Kpq es referido como el coeficiente de acoplamiento entre dos bobinas (p y q). Cuándo p y q son iguales, la inductancia es llamada como auto-inductancia, cuándo no es igual, es llamada inductancia mutua.

La impedancia total por fase vista desde la entrada de las terminales del estator es dada como [6] donde x se refiere a la merma de rectancia (capacitiva).

[6]

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En una forma simple, la impedancia también puede ser vista como:

[7]

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[8]

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[9]

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Al ver un sistema balanceado, un circuito “Y” debe parecer como se muestra en la Figura 5. La impedancia del circuito parecería:

[10]

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Por ejemplo:

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Armado con esta información, nosotros ahora podemos revisar los efectos de las fallas relacionadas a las bobinas en la operación del motor.

Fallas de Bobinas

Cuándo un defecto ocurre en una bobina debido a un corto, la contaminación de la bobina o un daño severo al núcleo de acero, afecta las propiedades eléctricas del sistema de aislamiento. En el caso de un defecto de la bobina, los cambios ya sean a la capacitancia o la resistencia dentro del sistema de aislamiento causarán un problema reactivo debido a cambios a la constitución del sistema de aislamiento. Por ejemplo en el desarrollo de un corto, los cambios al sistema de aislamiento causa cambios a la capacitancia debido a los cambios en cómo los dipolos son excitados (dipolo de vuelta). Como resultado, hay cambios en cómo el aislamiento reacciona en esa área, causando una variación de merma de reactancia y calentamiento debido a forzar el aislamiento para polarizar aplicado un alto potencial (voltaje operacional). La contaminación de la bobina causa cambios a la resistividad y ala reactancia capacitiva entre las superficies de aislamiento, también.

En el voltaje de diseño, la mayoría de los defectos no se hacen patentes hasta que un cambio claro ocurra, que puede ser representado por un desbalance de corriente severo, disparos injustificados o un cortocircuito directo. En el caso de contaminación, el resultado es igual a un corto de bobina: Ya sea un corto entre conductores o a través del sistema de aislamiento a tierra.

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Como resultado, como las fallas ocurren debido al deterioro termal, contaminación, absorción de humedad u otros defectos reactivos, la impedancia de circuito cambiará, ligeramente, al principio, después más dramáticamente mientras la falla progresa.

Utilizando la prueba de Hi-Pot para Prueba de Estrés de Aislamiento a Tierra

El tipo de prueba realizado por la prueba de Hi-Pot sólo evalúa ese plano entre los conductores y la ranura del centro del estator, o de la ranura de la célula. Estos no detectan defectos de bobina como defecto entre espiras (ínter Turn) o desarrollo de cortos en la bobina. Un requisito importante adicional en toda prueba de alto voltaje es el de asegurarse que la bobina este limpia y seca antes de la prueba.

Estas condiciones, por supuesto, limitan las habilidades de este tipo de prueba. Sin embargo, hay unos cuantos trucos que pueden expandir su capacidad de prueba.

Todas las pruebas de Hi-Pot se configuran de forma parecida: Si es posible, cada fase es separada con cada fase que no ha sido probada, RTD y otras bobinas se cortocircuitan a tierra. Esto permite al sistema de aislamiento entre las bobinas que serán probadas y los otros sistemas de aislamiento para ser probados mientras también se asegura que no hay corriente circulante y las puntas están lejos de los operarios.

Mientras que la prueba de Hi-Pot es la forma más peligrosa de prueba, el voltaje aplicado AC y la corriente genera alguna excitación de los dipolos de aislamiento. Esto da un análisis más completo de análisis de paso/falla de la condición del sistema. El operario también debe asegurarse que las puntas estén rígidamente contra el conductor antes de aplicar voltaje de otro modo el arco que es generado causará picos que pueden causar daño latente al sistema de aislamiento. Al probar un motor eléctrico en el lugar, el peligro al equipo es aún más severo a causa del área adicional del cableado. Cualquier componente adicional como condensadores, impulsores de frecuencia variable, etc. incluyendo transformadores de corriente y potencial, deben ser desconectados y aterrizados para reducir el riesgo de daño.

Con la prueba Hi-Pot DC, el enfoque más seguro es la prueba de voltaje de paso. Si está evaluando un motor eléctrico valorado debajo de 600 Voltios, incrementos de paso en 500 Voltios, si está por encima de 600 Voltios, pare el voltaje en 1.000 Voltios. Esto reduce el estrés de corriente de carga en el sistema de aislamiento. Con las puntas de otra bobina conectadas a tierra (sólo si usted puede romper las conexiones entre fases) y los componentes, usted también evalúa la condición del sistema de aislamiento entre esas fases así como la fase para ser probada a tierra. Justo al igual que con la prueba de Hi-Pot AC, todo debe ser desconectado si usted prueba por el sistema de cable al motor. En ambos casos, la corriente de merma debe ser tendenciada, esta es la corriente que mide la estabilización después de que el voltaje sea aumentado. La tendencia debe ser un aumento constante y algún aumento agudo en la corriente de merma antes que la prueba alcance el voltaje calculado indica un defecto de aislamiento que debe ser corregido.

La prueba Hi-Pot DC VLF proporciona una prueba poco más inclusiva que es manejada de la misma manera que la de Hi-Pot DC. La diferencia primaria entre las dos es que la de VLF proporciona algún nivel de excitación de los dipolos del sistema de aislamiento. Esto identificará más de cerca defectos de aislamiento a tierra.

Conclusión

Los sistemas eléctricos del aislamiento son, principalmente, sistemas dieléctricos. El propósito de las pruebas de alto voltaje del sistema de aislamiento a tierra es el de identificar si el sistema puede resistir un estrés mayor al normal. Este tipo de prueba requiere que el sistema de aislamiento este limpio y seco, de otro modo hay potencial para fracaso de aislamiento directamente a consecuencia de la prueba. De los tres tipos de pruebas de Hi-Pot, el de AC proporciona el peligro más grande al sistema de aislamiento y al personal, pero proporciona la mayor oportunidad para identificar defectos. La prueba de Hi-Pot DC permite al operario tendenciar la condición de la corriente de merma de aislamiento cuando la prueba de voltaje de paso es realizada. La prueba de VLF proporciona muchas de las fuerzas tanto de la prueba de AC y de la prueba de DC con menos peligro al sistema de aislamiento.

Bibliografía

  1. IEEE Std 1068-1996, IEEE Recommended Practice for the Repair and Rewinding of Motors for the Petroleum and Chemical Industry, IEEE Standards, 1996.
  2. IEEE P1415/D15, Draft Guide for Induction Machinery Maintenance Testing and Failure Analysis, IEEEStandards, July, 2006.
  3. ANSI/EASA AR100-2006, Recommended Practice for the Repair of Rotating Electrical Apparatus, EASA,2006.

Howard W. Penrose, Ph.D., CMRP, es Presidente de SUCCESS by DESIGN, una firma de servicios de confiabilidad y consultoría ubicada en Old Saybrook, CT, EEUU. El Dr. Penrose puede ser contactado en howard@motordoc.net o por teléfono al 860- 575-3087

Commentarios (2)

  • excelente articulo...ojala puedan publicar otros temas relacionados con electricidad

    1) Escrito 1:01 pm, 14 Junio 2011 by jose ernesto

  • Existe un equipo que efectue esta medición.

    2) Escrito 10:52 am, 06 Julio 2011 by Carlos Rodriguez

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