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Fallas en motores eléctricos de Media Tensión

Existen diversos modos de falla eléctricos en motores de MT de rotor jaula de ardilla. En este artículo, revisamos las causas más comunes.

Los devanados de motores eléctricos de Media Tensión (MT) pueden ser construidos con alambre redondo, cuando la tensión nominal sea de 2.1 kV o menos. Sin embargo, en tensiones por encima de este valor, se recomienda el uso de bobinas preformadas con conductores de cobre tipo pletina, por aspectos de confiabilidad y requerimientos dieléctricos, siendo esta una de las principales diferencias entre los motores de Baja Tensión (BT) y Media Tensión.


Construcción de bobinas preformadas

La construcción de devanados preformados presenta mayor complejidad que el tipo de aleatorio con alambre redondo. La figura 1 muestra un detalle de una bobina preformada.

La construcción de devanados preformados se puede dividir, según el nivel de tensión, en dos categorías: motores con tensión entre 2 a 5kV, y los mayores a 6 kV. Hay ciertos pasos y recomendaciones para cada tipo. Por lo general, a partir de 6 kV, se coloca una cinta de protección conductora entre el aislante y el núcleo de estator en la ranura.

La función de esta capa es evitar la formación de descargas en los vacíos que quedan en la ranura. También es común el uso de cintas de gradiente semiconductora, para el control de estrés en zonas de alto campo eléctrico, donde la bobina sale de la ranura. El material base aislante más común en MT es la cinta de mica, utilizado para cubrir los conductores de cobre, por su excelente resistencia a las descargas parciales y otras propiedades. Además, en máquinas de pocas espiras y alta corriente, es común el uso de conductores transpuestos, lo que permite equilibrar las fuerzas sobre las distintas secciones.

Además, en máquinas de MT, la presencia de vacíos (vacuolas) en el devanado, luego de la fabricación e impregnación, se considera altamente peligrosa por la actividad de descargas parciales. Por lo tanto, la selección del proceso de impregnación es un paso clave, que depende de la tensión y exigencia del motor. Los métodos más utilizados son: Impregnación con Vacío y Presión (VPI, por sus siglas en inglés) y el Rico en Resina (o Resin Rich, RR).

Figura 1. Detalle de una bobina preformada.

En el método de VPI, el objeto (estator completo o bobina individual) a ser impregnado se coloca en una cámara cerrada, en la que luego se crea un vacío a una presión típicamente cercana a 1 milibar. A continuación, la resina que ha sido tratada previamente (viscosidad seleccionada, con un agente de curado añadido, y enfriada), se bombea en la cámara a través de un intercambiador de calor donde se precalienta a 70°C, hasta que el objeto a ser impregnado se cubre totalmente.

El precalentamiento de la resina es muy importante, debido a que disminuye su viscosidad y así puede penetrar fácilmente para llenar el objeto por completo. El vacío se libera y permite que la cámara se presurice a 3-5 bar por un período de tiempo.

Finalmente, la resina se devuelve al recipiente de almacenamiento. A continuación, el devanado que se impregnó se coloca en el horno, en donde la resina se endurece. El método de VPI es adecuado en devanados de cobre preformados, y los espesores de recubrimiento se pueden dimensionar con precisión. El proceso de VPI bobina a bobina es conocido como Barra Simple.


Método de RR

En el método de RR, casi todos los aislantes seleccionados y otros materiales se pre-impregnan en una máquina especial. El agente de unión es típicamente una resina tipo epoxi, que está en un estado pre-curado, sólida pero maleable. Las espiras están aisladas con cinta de mica, las cuales son sometidas a un proceso de pre-consolidación. Posteriormente, se construye el aislamiento principal de la bobina a base cinta de mica, que se endurece a una alta temperatura y alta presión, que le proporciona la máquina de prensado en caliente.

A diferencia del método RR, los aislantes utilizados en el método VPI, son porosos para que se impregnen de resina y no contienen una cantidad considerable de agentes de unión. En tanto, en el método RR, es posible usar tiras aislantes de relleno, para asegurar el devanado en la ranura de manera uniforme. A veces, las tiras de relleno son del tipo flexible para evitar el aflojamiento de las bobinas. La Tabla 2 presenta una comparación de los tipos de impregnación.

Figura 3. Algunos modos de falla en motores de MT (Imágenes cortesía de Ferroman S.A.).

Modos de falla

Se han hecho distintos estudios de fallas, encontrando los mecanismos de falla más comunes en motores de MT. A continuación se enumeran y explican:

Deterioro térmico aumentado: Se puede presentar por diversos motivos. Es la pérdida de las propiedades dieléctricas por la operación del motor a alta temperatura.

Defectos de fabricación/reparación: Con diseños al límite de las capacidades de los materiales aislantes.

Excesivos ciclos térmicos: Motores expuestos a constantes arranques-paros, o cambios constantes de carga, pueden experimentar altas temperaturas y esfuerzos electrodinámicos.

Inadecuada impregnación y curado: Produce fallas en el corto plazo.

Bobina suelta dentro de la ranura: Debido a malos procesos de fabricación o reparación.

Falla en la cinta semiconductora: Esta falla implica la presencia de descargas parciales. Los motores que operan a mayores altitudes, donde la presión de aire es menor y, en consecuencia, la rigidez dieléctrica del aire es más baja, son más propensos a experimentar este problema.

Transitorios de tensión (peaks de tensión): En caso de presentarse transitorios de tensión, en los bornes del motor, se producirá estrés eléctrico fuera de lo normal. Variadores de frecuencia son una fuente posible de este fenómeno.

Contaminación del sistema de aislación: La contaminación trae múltiples problemas; cualquier material en el devanado debe ser retirado en un tiempo adecuado.

Partículas abrasivas: Un chorro de partículas abrasivas sobre el bobinado puede desgastar el aislamiento peligrosamente (flujo de aire de enfriamiento contaminado).

Ataque de sustancias químicas: Productos químicos como ácidos, pinturas, disolventes, aceites y otros, pueden provocar fallas de aislación en el mediano/ corto plazo. Además, el problema se puede presentar por malos procesos de limpieza y reparación.

Inadecuado espaciamiento en cabezas de bobina: En estatores de MT se dejan espacios entre bobinas adyacentes para asegurar el suficiente aire de enfriamiento, y así limitar la temperatura.

Vibración en cabezas de bobina: La corriente alterna que fluye por las bobinas produce vibración. Si no se provee adecuada fijación en las cabezas de bobina, la vibración puede provocar abrasión aumentada.

Tabla 2. Tipos de impregnación en motores de MT.

Por Ing. Oscar Núñez M., Profesor Universidad de Costa Rica, y estudiante Dr.-Ing. Eléctrica U. de Chile; e Ing. Julio Sepúlveda N., Gerente de Operaciones en Ferroman S. A. Chile.
Junio 2016
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Comentarios acerca de este artículo
JUAN ELECTRO SERVICE REPARACIONES SAC (10/03/2020)
procedimiento para fabricacion de bobinas
Daniel Huerta Veliz Iquique Technical Services ITS Ltda. (28/10/2018)
Encuentro excelente los comentarios ofrecidos en este informe
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