Pruebas de aislamiento para motores eléctricos de baja tensión
Presentado por: Oscar Núñ ez Mata, Ing. Núñez
[email protected] T. 8815 7166
Contenido:
Materiales aislantes. Clases de aislamiento. Vida útil del aislamiento. Fallas de aislamiento. Pruebas e interpretación de resultados según estándar IEEE 43-2000: - Seguridad ocupacional. - Condiciones de las pruebas. - Medidor de aislamiento - Otras pruebas. Programas de mantenimiento predictivo.
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Breve reseña histórica El motor de inducció inducción fue desarrollado en 1880 por Nikola Tesla. El principio de funcionamiento se ha mantenido igual al original. El motor ha presentado cambios en: Tamañ Tamaño fí físico: Má Más HP por Kg. Mejores caracterí características de operació operación: Eficiencia, torque. Mejoras en su construcció construcción. Diseñ Diseños má más simples: Jaula de Ardilla por Rotor bobinado. Y mejoras en los materiales aislantes.
Establecimientos de clasificación térmica:
En 1898 en Estados Unidos aparece la primera clasificació clasificación térmica de los materiales aislantes en motores, generadores y transformadores. En 1915, la IEEE de Estados Unidos define las clases de aislamientos en A, B y C, segú según los materiales aislantes usados en el proceso de fabricació fabricación del equipo. En ese mismo añ año, 1915, se establecen una serie de valores y pruebas de HIHI-POT realizadas por las fabricas de motores.
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Materiales Aislantes:
Definició Un material que no conduce Definición: electricidad, o la conduce muy mal. Se asocia esta caracterí característica con la ausencia de electrones libres, con posibilidad de movimiento (Los metales tienen electrones libres de movimiento). No existe un conductor o un aislante perfecto. Un metal conductor de electricidad supera a un aislante, no conductor, en 1X1015 veces su capacidad de conducir electricidad. La capacidad de conducir electricidad no es constante, depende de la temperatura.
Características de los aislantes
Rotura dieléctrica: Cualquier material aislante sometido a un campo eléctrico suficientemente intenso se hace conductor. Rigidez dieléctrica: El campo eléctrico máximo que puede resistir un material sin que se produzca rotura.
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Rotura dieléctrica
Pueden darse descargas o chispas
-Durante una rotura hay una ionización parcial. -Se da una conducción eléctrica. -Previo a la rotura existe una acumulación de moléculas en el material las cuales son liberadas luego de sobrepasar el valor de rigidez dieléctrica.
Ejemplo
El valor de rigidez dieléctrica se da en V/m. El aire seco: 800.000V/m. Materiales típicos aislantes: 10.000.000V/m. Si tenemos una capa de 0,0001m (0,1mm) de este material. Podría soportar máximo 1000V.
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Barnizado de un motor -Barniz: Es la primera capa de material aislante. Una fina película de barniz cubre el alambre magneto, generalmente son a base de polyester. -Se aplica barniz adicional a la máquina, con esto se busca obtener los siguientes resultados: Entrelazar el alambre entre si para formar una masa sólida.
Barnizado
Reforzar el aislamiento propio del alambre, el cual puede sufrir deterioro en el momento de la manipulación y el rebobinado. Proveer resistencia química, a la humedad y a la contaminación. Prevenir la corrosión del núcleo laminado. Rellenar las partes vacías de las ranuras, y entre las capas de aislamiento, para mejorar la transferencia de calor.
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Materiales aislantes en máquinas: Los aislantes buscan: Aislar las bobinas entre si. Aislar las bobinas de diferentes fases. Aislar las bobinas de la carcaza de la má máquina (Se conoce como aislamiento a tierra o masa). Aislar las lá láminas del núcleo magné magnético.
Curado al horno: Para que el proceso de barnizado alcance todos los puntos anteriores, se recomienda un tiempo de curado segú lo que según especifique el fabricante, a una temperatura dada, y en hornos especiales para tal propó propósito. Con circulació circulación de aire y extracció de gases extracción residuales del curado.
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Continuación Ademá Además del barniz, la má máquina elé eléctrica incluye los siguientes materiales aislantes: Papel base aislante. Papel intermedio aislante: Separadores, cuñ cuñas Aislamiento en las conexiones: Espagueti, Cintas aislantes, cables de salida, terminales. Amarras. Estos materiales son a base de: Nomex, Dacron, Mylar, Polié Poliéster, Fibra de vidrio, Melamina, Hypalon, EPDM, Algodó Algodón, Mica.
Clases de aislamiento: NEMA clasificó clasificó el sistema de aislamiento de las má máquinas elé eléctricas por su habilidad de proveer adecuada resistencia a la temperatura. Se establece: @Temp. Total Sistema = Temp. Amb. Amb. + Levantamiento de Temperatura. @Si la temperatura ambiente es mayor a 40° 40°C, se debe solicitar un motor especial al fabricante. @10° 10°C adicionales se permiten si el motor incluye detectores de temperaturas dentro de su bobinado.
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PLACA DE CARACTERÍSTICAS En los estándares NEMA e IEC las placas indican la clase de aislamiento de la máquina. Algunas indican el levantamiento permitido.
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Clases de aislamiento: Clase de Grado Temp. aislamiento Protecció Protección Amb. Amb. A
B
F
H
Incremento de temperatura
Tolerancia Temp. Total de punto Sistema caliente
ABIERTO
40 ºC
50º 50ºC
15º 15ºC
105º 105ºC
CERRADO
40 ºC
55º 55ºC
10º 10ºC
105º 105ºC
ABIERTO
40 ºC
70º 70ºC
20º 20ºC
130º 130ºC
CERRADO
40 ºC
75º 75ºC
15º 15ºC
130º 130ºC
ABIERTO
40 ºC
90º 90ºC
25º 25ºC
155º 155ºC
CERRADO
40 ºC
95º 95ºC
20º 20ºC
155º 155ºC
ABIERTO
40 ºC
110º 110ºC
30º 30ºC
180º 180ºC
CERRADO
40 ºC
115º 115ºC
25º 25ºC
180º 180ºC
Vida útil del aislamiento. -
Las pruebas de vida del aislamiento según la IEEE establecen un mínimo de 100.000 horas de vida. Estos valores se reducen a la mitad por cada 10°C de incremento en la temperatura de operación del motor.
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Efecto sobre el núcleo laminado La limitació limitación de la temperatura de levantamiento del motor influye en la vida del barniz de naturaleza QUÍ QUÍMICO ORGÁ que ORGÁNICO aíslan las lá láminas del nú núcleo unas de otras.
Acelerado deterioro del aislamiento -En general, una operació operación libre de humedad y agentes contaminantes asegura una larga vida del motor, en especial del aislamiento. -Las propiedades originales de los aislantes se ven disminuidas en presencia de agentes extrañ extraños -La escogencia del grado de protecció protección es importante para asegurar la vida útil del motor.
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Causas eléctricas: El aislamiento es diseñ diseñado para una particular aplicació aplicación. Sobre voltajes, bajo voltajes, des balance (pé de fase), (pérdida cortocircuitos, voltajes transitorios excesivamente altos puede provocar la ruptura del mismo.
Efecto de los variadores de velocidad sobre el aislamiento:
El uso del transistor, como elemento de switcheo, aumentó aumentó en 10 veces la rapidez de respuesta de los equipos empleados añ años atrá atrás, esto resultó resultó en un mejor desempeñ desempeño del motor, como si estuviera alimentado con una fuente senoidal. Esto redujo significativamente el tamañ tamaño de los variadores. Aparecieron nuevos problemas, como el estré estrés en el aislamiento del motor. Resultando en fallas prematuras. prematuras.
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Partes de un variador:
Onda de entrada-salida:
VOLTAGE
BUS VOLTAGE
SINE WAVE VOLTAGE
INVERTER VOLTAGE TIME
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IGBT El uso de los IGBT´s disminuyó el ruido producido en los variadores antiguos (Frecuencias portadoras hasta 3.5 khz). Esto trajo otros problemas: 1- El variador y el motor elevaron su temperatura de operación. 2- Por los abruptos cambio de voltaje, los bobinados se someten a un Stress, que puede dañarlo.
Cambios abruptos: La operación de un motor con una variador de frecuencia es una condición más severa para el aislamiento. La generación de corrientes armónicas elevan la temperatura en los bobinados. El otro factor que aparece es la onda reflejada, los cual es más problemático con distancias entre motor-variador mayor a 15 metros y voltajes de alimentación de 480 VCA. Los picos de voltaje pueden llegar a 2 voltaje de salida.
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Ondas de salida
Continuación:
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Causas mecánicas: Excesivos arranques y paradas. Niveles altos de vibració vibración. Deterioro de rodamientos (Provocan fricció fricción). Sobrecarga mecá mecánica del motor. Otros.
1.
2.
3.
4.
5.
Cantidad de arranques: POTENCIA EN HP
2 POLOS A
4 POLOS B
A
6 POLOS B
A
B
1
15
75
30
38
34
33
5
8.1
83
16.3
42
18.4
37
10
6.2
92
12.5
46
14.2
41
15
5.4
100
10.7
48
12.1
44
20
4.8
120
9.6
55
10.9
48
50
3.4
145
6.8
72
7.7
64
75
2.9
180
5.8
90
6.6
79
100
2.6
220
5.2
110
5.9
97
200
2
600
4
300
4.8
268
250
1.8
1000
3.7
500
4.3
440
A= Máximo número de arranques por hora. B= Tiempo en segundos entre arranques sucesivos.
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Ataque químico: El efecto de vapores corrosivos, polvo, aceites (Grasas), agua, puede ser determinante para la vida del aislamiento.
Causas térmicas: Que un motor opere en condiciones de excesivo calor o frí frío pueden causar expansió expansión o contracció contracción del aislamiento, lo que puede provocar la ruptura. A menos que la má máquina esté diseñ para esté diseñada operació operación intermitente, el efecto de sucesivos arranques y paros será será acelerar el proceso de deterioro, o arranques severos.
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Fallas de aislamiento: TÉRMICOS
MECÁ MECÁNICOS Vibració Vibración y Choque
MECANISMOS ELÉ ELÉCTRICOS (V)
MEDIO AMBIENTE QUÍ QUÍMICOS
¿Qué Efectos ocasionan Degradación?
Temperatura El Voltaje Vibració Vibración
¿ CÓMO ?
+10°C
REDUCE LA VIDA (50%)
+1% Desb. V
REDUCE LA VIDA (10%)
AMPLITUD DE LA VIBRACIÓN INCREMENTA LA ABRASIÓN EXPONENCIALMENTE
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Falla 1: Corto entre vueltas
Falla 2: Corto entre fases
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Falla 3: Corto tierra tipo 1
Falla 4: Corto tierra tipo 2
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Falla 5: Corto por alto voltaje
Falla 6: Pérdida de fase
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Falla 7: Sobrecarga
Normas de seguridad: Trabajo: Es el resultado de la acción de las personas que transforman o realizan modificaciones en la naturaleza para satisfacer sus necesidades PRODUCTIVIDAD CALIDAD SEGURIDAD
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Seguridad ocupacional FACTORES DE RIESGO ELECTRICO El peligro eléctrico puede dar lugar a choques eléctricos, quemaduras o electrocuciones y se origina por el contacto directo con electricidad, pudiendo ser por una puesta accidental de la corriente o relacionados con cortocircuitos o sobrecargas.
Prueba de Aislamiento
Es una prueba cuantitativa. Obtenemos una medició llamada RESISTENCIA DE medición AISLAMIENTO. Esta es funció función del tipo y condició condición del material aislante. El voltaje de prueba es aproximadamente el de operació operación normal. Voltaje de prueba (IEEE Std. 4343-2000): - <1000 VCA 500 VDC - 10001000-2500 VCA 500500-1000 VDC - 25012501-5000 VCA 10001000-2500 VDC - 50015001-12000 VCA 25002500-5000 VDC
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Megger: La medición se toma en 60 segundos, luego de alcanzar el valor del voltaje de prueba. Puede realizarse en el panel de arrancadores. Si el valor obtenido no es satisfactorio se debe hacer directamente en la caja del motor.
El Megger…
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Componentes de la corriente: La resistencia de aislamiento se obtiene: IR = V / I, -V es el voltaje de prueba del instrumento. instrumento. -I es la corriente que circula por medio del aislamiento. -I se puede separar en varios componentes: Itotal=Ifuga+ICapacitancia + IAbsorció Absorción
Componentes de I: -La I de Fuga es constante en el tiempo. Esta corriente pasa a travé través del material aislante. La presencia de humedad, aceite o suciedad aumenta su intensidad. -La I de Carga Capacitiva es debida a la geometrí geometría propia del bobinado, usualmente no afecta la medició medición de aislamiento por que desaparece en los primeros 60 segundos.
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Continuación… I de Absorción o corriente de polarización es afectada por dos fenómenos. La polarización de las moléculas de los materiales de impregnación (Barniz), que tienden a reorientarse en presencia del campo eléctrico. Debido a las fuerzas moleculares este proceso demora varios minutos. El movimiento de electrones a través de los materiales de aislamiento, los que usualmente son detenidos en las capas exteriores. Los materiales modernos de aislamiento tienen corrientes de absorción bajas.
Megger:
Interpretación de los datos según Estándar IEEE 43-2000 (40°C T. Amb.):
Mínimo valor esperado M Ω
Equipo en prueba
kV + 1
Mayoría de motores hechos antes de 1970, y otros no descritos abajo.
100
Mayoría de DC armaduras y motores AC bobina preformada hechos después de 1970.
5
Mayoría de motores bobinado aleatorio y preformado de menos de 1 kV.
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Diferentes puntos de medición
Efecto de la temperatura: La temperatura afecta directamente el valor obtenido de resistencia de aislamiento . La resistencia de aislamiento cambia inversamente con la temperatura. La resistencia baja cuando su temperatura aumenta. En los aislantes, un incremento en la temperatura aumenta la energí energía té térmica y se liberan cargas adicionales que conducen, con esto se reduce la resistencia. Todos los componentes de la corriente I se ven afectados, menos la I de Carga Capacitiva.
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Corrección de temperatura: Fórmula de correcció corrección La correcció corrección puede ser hecha usando la ecuació ecuación: Rc= Rc=Kt * Rt Donde: Rc=Resistencia Rc=Resistencia de aislamiento corregida a 40° 40°C. Rt=Resistencia Rt=Resistencia de aislamiento medida a una temperatura T. Kt=factor =factor de correcció Kt corrección (40-T)/10 Kt=(0.5) Kt=(0.5) Ejemplo: 100 MΩ MΩ a 30° 30°C, corregirlo a 40° 40°C. Rc=100 Rc=100 MΩ MΩ * (0.5) (40-30)/10 Rc=100 Rc=100 * (0.5) 10/10 = 100*0.5=50 MΩ a 40° 40°C
Recordemos… Estimación de la temperatura del bobinado:
Th=[ (Rh/Rc) x (K+Tc) ] – K Th es la temperatura luego de alcanzar el equilibrio térmico. Tc es la temperatura antes de operar. Rh resistencia óhmica luego de alcanzar el equilibrio térmico. Rc resistencia óhmica antes de operar. K es una constante, para el cobre de 234.5
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Para medir resistencias bajas:
Se usa el método de 4 puntas:
2 amp
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Método de 4 puntas:
Ejemplo gráfico: Medida vs. Corregida Resistencia de Aislamiento 1200
Megaohms
1000 MEDIDA
800 600 400
CORREGIDA
200 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
Medición
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Prueba de aislamiento por incremento de voltaje -Se espera que al incrementar el voltaje la corriente también aumente, permaneciendo la resistencia de aislamiento prácticamente constante. -Cualquier desviación podría significar defectos en el aislamiento. -En bajos voltajes es posible no observar defectos. -Con el incremento del voltaje se puede alcanzar el punto donde la ionización inicie y la resistencia tiende a caer.
Prueba de Hi – Pot (Alto potencial) Es una prueba cualitativa que indica si el aislamiento pasa o no pasa a un voltaje determinado, muy usado en control de calidad. Es una herramienta útil para probar la resistencia de aislamiento a tierra. Los está estándares NEMA MGMG-1 e IEEE 4343-2000 recomiendan los siguientes voltajes de prueba: 1.V prueba 1 = 2 x V operació operación + 1000 2.Para motores nuevos y rebobinados: rebobinados: V prueba 2 = V prueba 1 x ( 1.2 ó 1.7 )
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Índice de polarización PI
-La prueba del INDICE DE POLARIZACIÓ POLARIZACIÓN (PI) ayuda a determinar la condició condición del aislamiento. aislamiento. PI= IR @ 10 min. / IR @ 1 min. -Mide el tiempo requerido por las molé moléculas del aislamiento para polarizar (Alinearse) y resistir el flujo de corriente. -La primera figura muestra las molé moléculas desorientadas. Al aplicar voltaje las molé moléculas se orientan para evitar el flujo de corriente. -Aplicable a motores 150HP o má más.
Índice de polarización
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Absorción dieléctrica: Motores menores a 150 HP conviene hacer esta prueba: AD= IR @ 60 seg. seg. / IR @ 30 seg. seg. Tambié También recomiendan hacerla a 3 min/1 min/1 min Con esta prueba se obtiene: obtiene: Condició Condición del estado del aislamiento. Detecció Detección de humedad. humedad. Es fácil de hacer con un megger. megger. Si en la medició medición de aislamiento se obtiene un valor mayor que 5000 Mohm, Mohm, el IP o AD no es necesario seguir con la prueba.
Interpretación: Indice de Polarizació Polarización (PI)
Absorció Absorción dielé dieléctrica (AD)
PELIGRO
< 1.0
PELIGRO
< 1.1
POBRE
1 a 1.4
POBRE
1.1 a 1.24
CUESTIONABLE
1.5 a 1.9
CUESTIONABLE
1.25 a 1.3
MINIMO ACEPTABLE
2.0 a 2.9
MINIMO ACEPTABLE
1.4 a 1.6
BUENO
3.0 a 4.0
EXCELENTE
> 1.7
EXCELENTE
> 4.0
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PRECAUCIONES: Las pruebas de IP o AD son difíciles de usar. Antes de condenar un motor debido a esta pruebas se debe tenerse claro: 1Los materiales aislantes polarizan o no? 2Está contaminado el motor: Agua, sucio, aceite, químicos, etc. 3La prueba la estamos realizando en el panel de arrancadores o directamente en el motor.
Pruebas de impulso: Se basa en el principio de comparación de dos impedancias. se descarga el voltaje acumulado en un condensador a través del bobinado en prueba. Esto produce un impulso de voltaje que crece rápido y decae rápido. Los equipos de impulso envían pulsos sucesivos y muestran en las pantallas cómo decaen.
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Ejemplo de prueba
Impulso La longitud de onda es aprox.: T α √LC, donde L es la inductancia del bobinado y C la capacitancia. Pero L α N², así así T α N, donde N es el nú número de vueltas de la bobina en prueba. Cuando bobinas adyacentes se cortocircuitan, el número de vueltas se reduce, entonces el perí período se reduce.
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Otros resultados: Corto a tierra
Bueno
Programas de mantenimiento Un valor medido de aislamiento no da mucha informació Má información. Más bien se debe hablar de TENDENCIAS en el tiempo. El procedimiento debe ser: Medir y anotar el valor de temperatura del bobinado en prueba para hacer la correcció corrección. Medir y anotar la resistencia de aislamiento. Graficar Resistencia VS tiempo (Se puede hacer cada 6 seis meses). Aná Una caí Análisis: caída consecutiva de la resistencia puede indicar que el aislamiento está está por dañ dañarse.
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Caída de la fuerza dieléctrica
Programa de mantenimiento: Nivel aislamiento motor bomba 1 CCM 1200
Mohms
1000 800 600 400 200 0 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
Mes de prueba
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Evolución de las lecturas
Resumen pruebas de aislamiento
Off Line
Prueba
Estándar
Qué mido?
Qué aplico?
Qué obtengo?
Resistencia con puente Kelvin
IEEE 92
Balance resistivo Corto franco
Automático
Diferencias < 5-10%
Aislamiento con Megger
IEEE 43-2000 EASA AR-100
Salud del aislamiento Contaminación
500VDC para motor < 1000VCA Mohm=1+KV, mínimo @1 min. Debe corregirse por 100Mohm, mínimo temperatura
Indice Polarización IEEE 43-2000 Absorción dieléctrica EASA AR-100
Deterioro y humedad
500VDC para motor < 1000VCA PI>2 PI=R(10´)/R(1´) AD>1.6 AD=R(60s)/R(30s)
Hi Pot
IEEE 95-1977 EASA AR-100 NEMA MG-1
Rigidez dieléctrica entre 2*V + 1000 bobinas y masa
Pasa/No Pasa
Impulso
IEEE 522-1992 EASA AR-100 NEMA MG-1 IEC 34-15
Rigidez dieléctrica entre 2*V + 1000 vueltas (Fases, grupos, bobinas)
Coincidencia de ondas
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Pensamiento Final LA MEJOR RECOMPENSA POR UN TRABAJO BIEN HECHO, ES HABERLO HECHO.
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