Fig. 2 Circuito de medición de DP y señal medida

En 1912, W. Petersen realizó el primer reporte de la ocurrencia de descargas parciales (DP) en equipos eléctricos, por medio de observaciones visuales y audibles. Posteriormente, H. Schering realizó las primeras mediciones en términos de su influencia en la variable tand. Pero no fue hasta la aparición del tubo de rayos catódicos y del osciloscopio en 1932, que la incertidumbre asociada con este nuevo fenómeno se empezó a develar. Después de 1940, su medición y localización reporta un creciente interés en la investigación, lo que se asocia fuertemente con la evolución tecnológica en instrumentos de medición y el conocimiento de su naturaleza.

Una descarga parcial se define como una descarga de baja energía, localizada en un micro volumen (vacío, burbuja o vacuola de aire), sin compromiso del aislante entre los electrodos sometidos a una solicitación de tensión. La descarga significa conducción de corriente por el aire y esta se produce al sobrepasar cierto nivel de esfuerzo de campo eléctrico.

La Figura 1 muestra la presencia de vacuolas indeseables en el interior de los devanados. La zona de la vacuola muestra una considerable menor permitividad (tendencia de un material a polarizarse en presencia de un campo eléctrico para anular parcialmente el campo en su interior) que el aislante que la rodea, aumentando la concentración de campo eléctrico, lo que provoca la descarga localizada. La DP implica un desplazamiento de cargas en un tiempo muy breve (nanosegundos).

La DP se origina en la vacuola de aire, pero empieza a dañar la aislación sólida circundante, esto es: i) erosiona por efecto eléctrico; y ii) degrada por efecto químico. Es decir, el material aislante sufre un envejecimiento aumentado, que puede provocar una falla en meses o años, desencadenando un proceso de arborescencia (treeing) de corta duración. Si el fenómeno no fue controlado, se concluye con la ruptura franca, y la salida de servicio de la máquina. En ciertas máquinas rotativas, no es factible la anulación completa de las DP, por lo que se debe aceptar su presencia y deberá medirse periódicamente para anticipar un aumento peligroso.

Fig. 1 Detalle de los vacíos en el devanado

Fig. 3 Ficha técnica del ensayo de DP en el caso de estudio

Las pruebas de DP son relevantes en máquinas rotativas con devanados preformados de 2300V y más (en MT y AT), aunque se han encontrado aplicaciones en máquinas con devanados aleatorios alimentadas con variador electrónico de velocidad (en BT). Detectar la existencia de DP puede ser una tarea difícil, pues generalmente pasan inadvertidas en los ensayos dieléctricos convencionales. Se han desarrollado métodos de detección a través de luminosidad, calor, sonido, ultrasonido y ensayos químicos. Sin embargo, este artículo se enfoca en métodos eléctricos.

En DP, es tan importante la detección/ interpretación como la localización, ya que esto es requerido antes de llevar a cabo acciones correctivas. La mayoría de ensayos de DP, son realizados off-line, esto es con la máquina desconectada. Se requiere una fuente de tensión externa para proveer la potencia CA que alimente el equipo en prueba. En la práctica, antes de realizar la medición se calibra el instrumento con un patrón conocido. Luego, se aplica el voltaje externo por fase, y las señales de DP son detectadas usando un capacitor y una impedancia de acople. La Figura 2 muestra un diagrama del circuito típico de medición de DP.

Dicha figura muestra además la onda de tensión con que se alimenta la máquina y el patrón de DP. Cada vez que se alcanza el voltaje de ruptura del gas se produce una DP, lo que pasa en el semi-ciclo positivo y negativo. Las DP tienden a concentrarse a partir de los pasos por cero de la tensión aplicada. Al aumentar la tensión, aumentará el número de eventos de DP, no así su magnitud, que se incrementaría solo en caso que la vacuola aumente de tamaño. La cuantificación de la DP se hace en carga aparente, la que es transferida durante la descarga, usualmente en unidades de pC (pico Coulomb).

Las técnicas de localización más utilizadas emplean detectores ultrasónicos y señales eléctricas, que establecen el punto donde se origina la DP dentro del devanado del motor o generador, con lo que es posible considerar las posibles acciones correctivas.

Fig. 4 Distribuciones estadísticas en ventanas de tiempo de DP (Cortesía de Ferroman S.A.) El punto mostrado con la flecha
indica baja repetitividad de DP, lo que se relaciona con la causante del deterioro del aislante superficial de las bobinas.

Para ilustrar lo expuesto, se presenta el estudio de una máquina por medio de ensayos reales de DP. La Figura 3 es la ficha técnica resumen del caso.

En tanto, la Figura 4 muestra la actividad de DP en el motor previo a su desarme, y se puede ver: la magnitud de las descargas junto con la fase (arriba); y la distribución de cantidad de descargas (abajo). La teoría indica que una actividad de DP prominente en el semi-ciclo positivo, puede ser por alguna de las siguientes causas: descargas internas en la bobina, con tendencia a estar más próxima al cobre; y/o descargas de superficie. En concreto, lo que se verificó es la existencia de efecto corona en las cabezas de bobinas, en sus caras laterales de distinta fase (de mayor potencial, ya que eran la bobinas de entrada de fase).

Fig. 5 Medición de DP fase/carga junto con fotografía del daño (Cortesía de Ferroman S.A.)

Tras las pruebas, el motor fue desarmado encontrándose zonas con alta actividad en las cabezas de bobina. La Figura 5 muestra la medición junto con la fotografía del daño. Las DP presentadas en la figura son provocadas por alguna de las siguientes causas: contaminación química, partículas metálicas flotantes que llegan al devanado, algún daño mecánico, o por el movimiento relativo del devanado terminal y los separadores.