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Diagnóstico de máquinas rotativas
de media tensión usando ensayos dieléctricos

Ya sea en una industria de producción, una generadora o una edificación, las máquinas rotativas cumplen un papel clave en diversos procesos productivos y de servicios. Por lo tanto, cada día son más importantes la confiabilidad y el diagnóstico de estos.

Cuando una máquina opera, sea un motor o generador, se espera que no presente salidas inesperadas que provoquen interrupciones en su funcionamiento, con las consecuencias que conlleva. Por lo anterior, se sugiere llevar a cabo una serie de mediciones periódicas de distintas variables, que evalúe el estado de condición, con lo cual se permite establecer su riesgo de operación, junto con las posibles medidas correctivas a implementar en caso de ser necesarias, y en el momento oportuno. Esto se constituye en un diagnóstico de máquinas, donde los aspectos dieléctricos, relacionados a la aislación, son de los más importantes. Para la evaluación, se pueden desarrollar mediciones en el tiempo, lo que se conoce como “diagnóstico basado en datos históricos”. El objetivo es conocer cómo evoluciona la formación de defectos dentro de la máquina, y definir efectos en otras partes. El concepto “diagnóstico” se ha desarrollado en el último tiempo con distintos enfoques; el que nos interesa se relaciona con ser un medio para la detección temprana de fallas. Específicamente, se habla de detectar, aislar e identificar una condición de falla inminente o incipiente, sin que se detenga la operación de la máquina. Es decir, el componente afectado sigue funcionando, aunque se encuentre en modo degradado. El proceso se divide en:

1) Detección de falla: Descubrir una condición incipiente anormal de funcionamiento.

2)Aislamiento de falla: Determinar qué componente (subsistema, sistema) está fallando o ha fallado.

3) Identificación de falla: Estimar la naturaleza y extensión de la falla.


Aplicado a la aislación, los responsables de la correcta operación de máquinas cuentan con una serie de ensayos, destinados a determinar su condición, clasificados en: i) parámetros dieléctricos medidos; ii) parámetros combinados; y, iii) parámetros derivados de las magnitudes medidas. El objetivo final del diagnóstico será que una “falla potencial” (incipiente), no se convierta en una “falla funcional”, que impida la operación de la máquina.


Ensayos dieléctricos para diagnóstico de máquinas

Los devanados incluyen un sistema de aislación que busca: i) evitar el contacto entre conductores y tierra; ii) conducir el calor fuera de la máquina; y, iii) dar soporte mecánico a los conductores frente a la vibración. Así, sus componentes fundamentales son:

Aislamiento entre conductores.

Aislamiento entre vueltas.

Aislamiento con la pared de la ranura (a tierra).


Para construir cada uno, se cuenta con una serie de materiales seleccionados según el tipo de máquina, tensión de trabajo, medio en que opera, y otros. Además, se adicionan otros materiales, que tienen funciones específicas. Es de esperar que los materiales aislantes conserven sus capacidades no solo durante los ensayos, cuando la tensión aplicada puede exceder a la nominal, sino también durante la vida útil de la máquina. Para evaluar el sistema de aislación, se cuenta con una serie de ensayos normados. Estas normas entregan criterios de evaluación para el análisis de resultados. La interpretación debe combinarse con la experiencia y conocimiento del usuario. La Tabla 1 presenta los métodos fuera-de-línea en máquinas de Media Tensión.


Caso de estudio

Se presenta el análisis de un motor de 2500[HP]/6,6[kV], Jaula de Ardilla, Clase F. El mismo fue evaluado utilizando ensayos dieléctricos. Los principales parámetros medidos se muestran en la Tabla 2.



Para realizar el diagnóstico según las normas de la Tabla 2, se utilizan los siguientes valores de referencia:

• RA: 100[M?] @ 40[°C]. (Mínimo).

• IP: 2, por ser motor Clase de Aislación F. (Mínimo).

• Max. P-P EAR: 10[%], según recomendación del fabricante de equipo para prueba del motor armado. (Máximo)

• Tand @ 0,2Vn: 3[%]. (Máximo).


Se concluye que todos los parámetros cumplen los valores esperados. Sin embargo, se puede ver un comportamiento diferente en las mediciones de 2016, al presentar una desmejora del RA, IP y Tand. En este caso, si bien no se superaron las referencias, fueron las fluctuaciones lo que indicó que algo no estaba bien. Inicialmente, se revisaron los valores de humedad relativa registrado, y presentaban niveles similares en las tres pruebas. Con esto en mente, se programó un ensayo de DP en agosto de 2017. Los resultados por fase se muestran en la Figura 1.



En la Figura 1 se observa que los patrones de DP poseen una simetría en el semiciclo positivo con el negativo, además de la polaridad de sus pulsos. Por lo tanto, no indica una falla puntual, más bien se considera un envejecimiento térmico. Por otro lado, los patrones de las fases N°1 y N°2 son similares, pero no así el de la fase N°3, que muestra una actividad de DP mayor. Esto hace presumir que la fuente de DP se encuentra muy cercana a la entrada de fase, debido a su elevada amplitud y baja repetitividad.

Con este diagnóstico se recomendó realizar una inspección visual, para comprobar anormalidades. El motor se llevó al centro de servicio, donde se desarmó y encontró el daño.

Al desarmar el motor, se observó que las chapas de estator no contaban con los sujetadores axiales del laminado (en inglés, “Fingers”), lo que permitió su movimiento. Esto, al final, provocó el debilitamiento de las paredes aislantes en la salida del estator (mayormente en la fase N°3). La prueba de DP anticipó la falla. Las otras pruebas mostraron que algo sucedía internamente, pero no fueron contundentes.


Conclusión

Considerando los resultados de los ensayos, por las fluctuaciones en las variables RA, IP y Tand, se optó por realizar un ensayo de DP junto con una inspección visual. El patrón de DP de la fase N°3 fue sensible a la condición anormal. En las pruebas en terreno fueron detectados los daños en la superficie de las bobinas, lo que derivó en el desarme del motor, donde, finalmente, se detectó la causaraíz del daño en el devanado


Por Julio Sepúlveda, Gerente de Operaciones de Ferroman S.A., y Oscar Núñez, Profesor U. de Costa Rica,
Candidato a Dr.Ing. Eléctrica en la U. de Chile.
julio.sepulveda@ferroman.cl - oscarnunezmata@gmail.com
Noviembre 2017
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