En la literatura, es posible encontrar estudios sobre las distintas causas de falla en máquinas eléctricas rotativas. Por ejemplo, años atrás un estudio del CIGRE (Comité Internacional de Grandes Redes Eléctricas) reportó que en una importante muestra de hidrogeneradores, el 22% de sus fallas se originaron por la actividad de descargas parciales (DPs) en el devanado de estator. En ese mismo informe, se indicó que las otras dos mayores causas fueron envejecimiento (31%) y contaminación (25%). Sobre esta última, será importante relacionar el fenómeno de DPs con la contaminación del devanado. En este artículo, se analiza el efecto de la humedad relativa sobre las DPs, ya que la humedad es una causa común de contaminación.

Durante el proceso de fabricación de un material aislante, es posible que queden pequeñas cavidades con gas aprisionadas en el interior del material, llamadas “vacuolas”, las que tienen formas y dimensiones diferentes. Asimismo, en el proceso de fabricación de las bobinas, y al montar el aislante en partes conductoras, pueden quedar cavidades entre el dieléctrico y el conductor, como también entre dos dieléctricos sólidos al momento de montarlas en el estator de la máquina. Finalmente, es común que, durante el funcionamiento normal de la máquina, se formen vacuolas progresivamente dentro del aislamiento, producto de las fuerzas mecánicas, el calor, y el envejecimiento.

Sea cual sea el origen de las vacuolas gaseosas, cuando la máquina está en operación, la superposición de la vacuola junto con las distintas capas de materiales aislantes, producen una concentración de campo eléctrico en el material con menor constante dieléctrica (en este caso, el gas), aumentando la solicitación en esta zona. Cuando se sobrepasa cierto esfuerzo de campo eléctrico, se produce la descarga de baja energía, en el micro volumen de la vacuola. El mecanismo que opera es el de ionización del gas, que, aunado a un efecto de avalancha, da origen a la descarga eléctrica. Esta descarga está acompañada de la circulación de corriente, tendiente a equilibrar las cargas eléctricas, provocando efectos secundarios altamente dañinos para el sistema de aislación, como: calor, erosión, rayo ultravioleta, y descarga química.

La otra fuente potencial de DPs en máquinas eléctricas es la superficie localizada en las cabezas de bobina, las cuales pueden acumular contaminación. Estos materiales extraños pueden proveer un camino para las descargas por el aire, producto del gradiente de potencial entre el bobinado y la carcasa (tierra).

Los cambios en la magnitud de DPs en el tiempo pueden ayudar a identificar la fuente de la descarga, localización y su gravedad relativa. Por lo tanto, conviene conocer la influencia de distintos aspectos que afectarán la actividad de las DPs; por ejemplo, la altitud donde opera la máquina, el tipo de material aislante, y la humedad relativa durante la prueba. Sobre este último, a continuación, se analiza su efecto sobre las pruebas off-line de DPs.

Figura 1. Montaje experimental para comprobar
relación de las DPs con la humedad relativa.

Las pruebas de Resistencia de Aislación (RA) e Índice de Polarización (IP) son dos parámetros conocidos que podrían verse afectados considerablemente por la humedad en el devanado. Así, los valores de RA e IP serán notablemente inferiores en máquinas con humedad. Por lo tanto, el efecto de la humedad ambiente durante las pruebas dieléctricas necesita ser considerado para el análisis de resultados. Se recomienda registrar la humedad relativa durante las pruebas. Además, se sugiere estudiar el efecto de la humedad relativa sobre las DPS, y su posible correlación, donde es de esperar que los resultados dependerán del tipo de material aislante con el que se fabricó el devanado.

Según lo que reporta la literatura, el comportamiento de las DPs, en relación con la humedad relativa, dependerá del material aislante. La evidencia experimental indica que en devanados antiguos de asfalto-mica (altamente higroscópicos), el aumento de humedad incrementa las DPs; mientras que, en devanados modernos de tipo epóxicos (menos higroscópicos), la actividad de DPs disminuye. Lo anterior tiene que ver con la naturaleza de las DPs, la cual es diferente en cada caso. Para comprobar parte de lo explicado, se analiza a continuación un caso de estudio, aplicado a devanados de tipo epoxi-mica.

Figura 2.

La prueba off-line de DPs es una técnica ampliamente utilizada en el monitoreo de condición de máquinas. Su objetivo es conocer la condición de la máquina, aplicada en el momento que se fabrica (o repara), como prueba de salida; o bien, cuando se encuentra en operación, se usa para conocer la condición de la máquina. Los resultados de la medición de DPs se comparan con valores considerados normales, según normativas y recomendaciones de fabricantes. Adicionalmente, se sugiere estudiar la evolución del parámetro medido en función del tiempo y establecer su tendencia, que indica la existencia de una falla, su gravedad y el tiempo posible de problemas mayores. Para el análisis de tendencias, se sugiere tomar la medida en condiciones similares a lo largo del tiempo, o registrar otras variables para el ajuste de los resultados. Por ejemplo, una de las variables externas que puede afectar la prueba de DPs es la humedad relativa, como se explicó anteriormente.

Para tratar este tema, se desarrolló una comprobación experimental. Se utilizó una bobina de prueba colocada dentro de un contenedor, junto a un vaporizador, con el objetivo de modificar la humedad relativa interna durante la prueba. La Figura 1 presenta el montaje. Para efectos de la empresa, esta experiencia es de suma importancia para ser tomada en cuenta durante los servicios predictivos que se ofrecen. El gráfico HNQ (ver Figura 2), que cuantifica la cantidad de pulsos durante toda la prueba, demuestra una disminución de la actividad de DPs con el aumento de la humedad relativa. Esto confirma lo reportado en la literatura.