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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
“ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINA DE 13.8 kV
POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN
PÉREZ LARA CARLOS ALBERTO
ZAMORA SERRANO MARIBEL
ASESORES:
DR. FERMIN PASCUAL ESPINO CORTÉS
M. EN C. TOMAS IGNACIO ASIAÍN OLIVARES
Cd. de México, Mayo 2013
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUALP OR LA O P CIÓN DE TITULAC I Ó N C. MARIBEL ZAMORA SERRANODEBERA(N) DE SARROLLAR CCARLOSALBERTOptREZLARA
"ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINA DE 13.8 kV POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA"
ANALIZAR EL DESEMPEÑO DE LOS RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES EN BOBINAS DE 13.8 kV EN BASE A UN ANÁLISIS CON TERMO GRAFÍA INFRARROJA, PARA VERIFICAR SU FUNCIÓN COMO ATENUADORES DEL CAMPO ELÉCTRICO.
~ INTRODUCCIÓN.
~ AISLAMIENTO EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS DE MEDIA TENSIÓN.
~ RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR DE BOBINA DE 13.8 kV
~ INSPECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS POR MEDIO DE
TERMOGRAFÍA INFRARROJA.
~ CONCLUSIONES Y PROPUESTA DE SOLUCIÓN.
~ JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA
3
ASESOR
A IGNACIO A VARES ~\,V. \)~\OOS.-1t .I'~
b ~J.. ~ ~~O -~~~
~f:J o" ING. DAVID RAMÍREZ ORTIZ ~ VI ::
JEFE DEPARTAMENTO ACADÉMICO td. - ~ ~ !J
DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ~ ~ /rnrb. 41 -\t'S
JEFATURA DE INGENIERIA ELECTRICA
3
AGRADECIMIENTOS
La presente tesis se la dedico a mi familia que gracias a su apoyo pude concluir mi carrera.
A mis padres y hermanos por su apoyo y confianza en todo lo necesario para cumplir con mis
objetivos como persona y estudiante.
A mi madre por brindarme los recursos necesarios y darme los consejos para poder ser una mejor
persona.
A mi pareja que siempre estuvo al pendiente en todo momento brindándome su apoyo y
confianza.
A todos en general por escucharme y darme el apoyo necesario para concluir esta etapa en mi
vida.
Carlos Alberto Pérez Lara
4
A DIOS:
Por enseñarme a valorar todos los días de mi vida, porque siempre y en todo momento está conmigo, por guiarme y cuidarme a cada paso que doy y sobre todo gracias padre bendito por darme lo que más amo en la vida y tu bendición….
A mis padres:
JOSE ZAMORA LOPEZ
Y SANTA SERRRANO CEDILLO
Gracias por su apoyo incondicional, por estar siempre conmigo y por ayudarme a terminar mi
carrera y con concluir una etapa mas en mi vida, por eso y muchas cosas más, gracias. Para
ustedes mi veneración y mi respeto.
A mi hija:
TANIA BELEM ZAMORA SERRANO
A ti mi niña gracias por enseñarme a ser cada día mejor y por ser el motivo mas fuerte para nunca dejarme vencer, gracias por esas sonrisas y alegrías que son mi mayor orgullo y satisfacción.
A mi tía, hermano y primos:
DELFINA SERRANO CEDILLO
ISMAEL ZAMORA SERRANO
ERASMO VÁZQUEZ SERRANO
PABLO VÁZQUEZ SERRANO
Gracias a mi tía que es mi segunda mamá a ustedes y a toda mi familia por siempre estar conmigo en las buenas, malas y peores. Y por ayudarme a levantar cuando no he podido mas, no tengo palabras ni forma de poder decirles que todos ustedes son lo más importante para mí.
A mis profesores y amigos:
A todos mis profesores gracias por su dedicación por su paciencia y por enseñarme a que esto no termina aquí sino que puede ser el comienzo de algo mejor y siempre habrá cosas buenas y nuevas que aprender. A mis amigos por ser parte de mi vida y una segunda familia, Gracias…….
MARIBEL ZAMORA SERRANO
5
RESUMEN
Este proyecto de tesis surge con la necesidad de verificar el desempeño de los
recubrimientos semiconductores utilizados en bobinas conformadas de media tensión.
Con esto se busca evitar fallas en forma de ruptura dieléctrica, degaste y/o envejecimiento
de los materiales aislantes, evitando así la falla completa de la máquina ya sea como
motor o como generador.
En la mayoría de los casos, el análisis de los recubrimientos semiconductores consiste en
inspección visual o simplemente no se realizan. En muchos de los trabajos reportados se
pone más atención en el aislamiento a tierra de las bobinas o el aislamiento entre vueltas.
Sin embargo, recientemente se ha puesto atención en estos recubrimientos ya que se ha
determinado que su mal funcionamiento puede en muchos casos ser el origen de una falla
catastrófica del sistema de aislamiento de la máquina. Por lo anterior el contar con una
técnica de inspección para recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión,
podría evitar la falla de las bobinas de máquinas de gran capacidad, donde una falla
representa pérdidas económicas considerables.
La termografía infrarroja es un medio utilizado para la inspección de la temperatura de los
objetos sin necesidad de contacto físico, esto gracias a la medición de las ondas
infrarrojas emitidas por los cuerpos u objetos. En el presente trabajo, esta técnica fue
aprovechada para el análisis en recubrimientos semiconductores de bobinas de máquinas
de media tensión. El recubrimiento semiconductor tiene como función aliviar el campo
eléctrico en la superficie de la bobina a la salida del estator. Esta capacidad es
acompañada por la generación de pérdidas en forma de calor (I2R) en la cinta
semiconductora que actúa como un atenuador del campo eléctrico. La uniformidad del
incremento de temperatura debida al calor resistivo se toma como parámetro para
identificar posibles anomalías en el desempeño del recubrimiento semiconductor. En base
a los resultados se muestra como zonas de alta temperatura pueden aparecer en la zona
del empalme entre la cinta conductora y semiconductora indicando un funcionamiento
incorrecto del sistema de atenuación de campo eléctrico.
6
INDICE
AGRADECIMIENTOS 3
RESUMEN
5
LISTA DE FIGURAS
8
LISTA DE TABLAS
10
LISTA DE ECUACIONES 10
LISTA DE FIGURAS DE ANEXO A 11
LISTA DE FIGURAS DE ANEXO B 12
NOMENCLATURA
13
GLOSARIO DE TERMINOS 15
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 17
1.1 GENERALIDADES 17
1.2 DESCRIPCION DEL PROBLEMA 19
1.3 ANTECEDENTES
21
1.4 OBJETIVOS
23
1.4.1 OBJETIVO GENERAL 23
1.4.2 OBJETIVO PARTICULAR 23
1.5 JUSTIFICACIÓN
24
1.6 APORTACIONES
25
1.7 ALCANCES Y LIMITACIONES 26
1.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS 27
CAPÍTULO 2: AISLAMIENTO EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS DE MEDIA TENSION 29
2.1 INTRODUCCIÓN
29
2.2 PROBLEMAS TIPICOS EN EL AISLAMIENTO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS 30
2.3 CLASE DE AISLAMIENTO Y CLASIFICACIÓN TÉRMICA 30
2.4 VIDA ÚTIL Y SU DETERMINACIÓN 31 2.5 SISTEMAS DE AISLAMIENTO DE MÁQUINAS DE MEDIA TENSIÓN (MÁQUINAS QUE
OPERAN A MÁS DE 1000 V) 34
2..5.1 ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE AISLAMIENTO 35
2.5.1.1 AISLAMIENTO ENTRE HILOS 35
2.5.1.2 AISLAMIENTO ENTRE VUELTAS 35
2.5.1.3 AISLAMIENTO A TIERRA 35
CAPÍTULO 3: RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR DE BOBINAS DE 13.8 kV 37
3.1 INTRODUCCIÓN
37
3.2 TIPO DE RECUBRIMIENTOS EN BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN 37
7
3.2.1 RECUBRIMIENTO CONDUCTOR
39
3.2.2 RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR 39
3.3
INSPECCION TERMOGRÁFICA PARA EL RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR EN BOBINAS DE 13.8 kV
41
3.3.1 CALOR
41
3.3.2 MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 41
3.3.2.1 TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN 42
3.3.2.2 TRANSFERRENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN 42
3.3.2.3 TRANSFERRENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN 42
3.3.3 TERMOGRAFÍA INFRARROJA 42
3.3.4 LA TEMPERATURA AMBIENTE
45
3.3.5 RADIACIÓN 45
3.3.6 HUMEDAD AMBIENTE 46
3.3.7 CORRIENTES DE AIRE 46
3.3.8 TÉCNICA POR INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA 46
3.3.9 APLICACIONES DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA 46
3.3.10 VENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA 47
3.3.11 FUNCIONAMIENTO DE LA CÁMARA TERMOGRÁFICA EN FORMA GENERAL 47
3.4 SIMULACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES 47
CAPÍTULO 4: INSPECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA 54
4.1 INTRODUCCIÓN 54
4.2 CAMARA TERMOGRAFÍCA Y EL PROGRAMA THERMACAM RESEARCHER® 54
4.3 DESARROLLO DEL ANÁLISIS EXPERIMENTAL 56
4.3.1 TENSIÓN APLICADA Y EQUIPOS UTILIZADOS 56
4.3.2 REPARACIÓN DE LAS BOBINAS INSPECCIONADAS 58
4.3.3 PROCESO PARA LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA 59
4.4 RESULTADOS
61
4.5 DISCUSIÓN DE RESULTADOS EXPERIMENTALES
78
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN 79
5.1 INTRODUCCIÓN 79
5.2 CONCLUSIONES
79
5.3 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS 80
8
CAPÍTULO 6: JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA 81
REFERENCIAS
83
I. ANEXO A: GRÁFICAS Y TABLAS DE TEMPERATURA DE CADA UNA DE LAS BOBINAS,
EN CADA UNO DE SUS LADOS 84
II. ANEXO B: FUNCIONAMIENTO DEL PAQUETE TERMACAM RESEARCHER® 100
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1.1 ESQUEMA DEL EXTREMO DE UNA BOBINA INDICANDO SUS COMPONENTES
PARA LA ATENUACION DEL CAMPO ELECTRICO DEL CAMPO ELÉCTRICO 20
FIGURA 2.1
ELEMENTOS Y PARTES DEL DEVANADO CONFORMADO EN FORMA TRANSVERSAL
34
FIGURA 2.2
SECCIÓN TRANSVERSAL DEL SISTEMA AISLANTE DEL ESTATOR DENTRO DE LA MÁQUINA
36
FIGURA 3.1
RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR PARA EL CONTROL DEL CAMPO ELÉCTRICO EN BOBINAS CONFORMADAS
38
FIGURA 3.2
MODELADO DE LA SIMULACIÓN INDICADA CON MEDIDAS ALEATORIAS
48
FIGURA 3.3
SIMULACIÓN DE DISTRIBUCIÓN DE LINEAS EQUIPOTENCIALES EN UNA BOBINA SIN CINTA SEMICONDUCTORA
49
FIGURA 3.4
DISTRIBUCIÓN DE LÍNEAS EQUIPOTENCIALES EN BOBINA CON CINTA SEMICONDUCTORA
50
FIGURA 3.5 SIMULACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DEL POTENCIAL ELÉCTRICO A LO LARGO DE LA SUPERFICIE DE LA BOBINA SIN CINTA SEMICONDUCTORA (LÍNEA EN COLOR ROJO) Y CINTA SEMICONDUCTORA (LÍNEA EN COLOR AZUL)
51
FIGURA 3.6
SIMULACIÓN DE LA BOBINA MOSTRANDO LA ZONA DE ESTUDIO
52
FIGURA 3.7
GEOMETRÍA UTILIZADA PARA LA SIMULACIÓN DE UNA BOBINA EN DOS DIMENSIONES, (1) AIRE, (2)RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR, (3) AISLANTE , (4) BOBINA
52
FIGURA 3.8
IMAGEN EN 3D DEL CALOR GENERADO EN EL RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR
53
9
FIGURA 4.1 IMAGEN DE PRESENTACIÓN PARA EL PROGRAMA THERMACAM RESEARCHER® PARAEL ANÁLISIS TERMOGRAFICO
55
FIGURA 4.2
DIMENSIONES DE LA BOBINA A ANALIZAR
56
FIGURA 4.3
TRANSFORMADOR DE ALTA TENSIÓN Y DATOS DE PLACA
57
FIGURA 4.4
VARIADOR DE TENSIÓN
57
FIGURA 4.5
MUESTRA DE LA BOBINA ANTES DE LA INSPECCIÓN , EL CIRCULO ROJO, MARCA EL ÀREA DEL EMPALME, CINTA CONDUCTORA (BOBINA 1 LADO 4)
59
FIGURA 4.6 EN LA IMAGEN TERMOGRÁFICA SE MUESTRA EL ÁREA DE INSPECCIÓN ENCERRADA EN UN CIRCULO ROJO (BOBINA 1 LADO 4)
59
FIGURA 4.7
IMAGEN CALCA DEL EMPALME (CINTA CONDUCTORA Y SEMICONDUCTORA(BOBINA 1 LADO 4)
60
FIGURA 4.8
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 1 LADO 1
62
FIGURA 4.9
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 1 LADO 2
63
FIGURA 4.10
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 1 LADO 3
64
FIGURA 4.11
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 1 LADO 4
65
FIGURA 4.12 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 2 LADO 1
66
FIGURA 4.13
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 2 LADO 2
67
FIGURA 4.14
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 2 LADO 3
68
FIGURA 4.15
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 2 LADO 4
69
FIGURA 4.16
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 3 LADO 1
70
FIGURA 4.17
RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 3 LADO 2
71
10
FIGURA 4.18 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 3 LADO 3
72
FIGURA 4.19 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 3 LADO 4
73
FIGURA 4.20 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 4 LADO 1
74
FIGURA 4.21 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 4 LADO 2
75
FIGURA 4.22 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 4 LADO 3
76
FIGURA 4.23 RESULTADO DE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA DE LAS IMÁGENES DE LA BOBINA 4 LADO 4
77
LISTA DE TABLAS
TABLA 2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES RESPECTO A SU TEMPERATURA MÁXIMA DE OPERACIÓN
29
TABLA 2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES DE UN SISTEMA DE AISLAMIENTO RESPECTO A SU TEMPERATURA MÁXIMA DE OPERACION
31
TABLA 4.1 VALORES NOMINALES DEL TRANSFORMADOR A LOS CUALES PUEDE REALIZARSE EL ANÁLISIS
58
TABLA 6.1
COTIZACIÓN DEL ANÁLISIS POR MEDIO DE TERMOGRAFIA
82
LISTA DE ECUACIONES
ECUACIÓN 2.1 TIEMPO DE VIDA ÚTIL DE UNA MÁQUINA 32
ECUACIÓN 2.2
TIEMPO DE VIDA ESPERADO DE UN MATERIAL AISLANTE
33
ECUACIÓN 3.1 LONGITUD DE LA CINTA SEMICONDUCTORA SEGÚN LA TENSIÓN NOMINAL DE LA MÁQUINA
40
ECUACIÓN 3.2
SUMA DE FACTORES (RADIACIÓN, REFLEXIÓN Y TRANSMISIÓN) ES IGUAL A 1
44
ECUACIÓN 3.3
SUMA DE RADIACIÓN MÁS REFLEXIÓN YA QUE LA TRANSMISIÓN ES INAPRECIABLE
44
ECUACIÓN 4.1
TENSIÓN NOMINAL DE FASE A TIERRA DE LAS BOBINAS EN SU VALOR
11
EFICAZ 58
LISTA DE FIGURAS DE ANEXO A:
A.1
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 1 LADO 1
84
A.2 GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 1 LADO 2
85
A.3
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 1 LADO 3
86
A.4
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 1 LADO 4
87
A.5
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 2 LADO 1
88
A.6
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 2 LADO 2
89
A.7
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 2 LADO 3
90
A.8
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 2 LADO 4
91
A.9
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 3 LADO 1
92
A.10
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 3 LADO 2
93
12
A.11
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 3 LADO 3
94
A.12
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 3 LADO 4
95
A.13
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 4 LADO 1
96
A.14
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 4 LADO 2
97
A.15
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 4 LADO 3
98
A.16
GRÁFICAS DEL COMPORTAMIENTO DE LA TEMPERATURA DURANTE LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA REALIZADA EN UN TIEMPO DE 3 MINUTOS, BOBINA 4 LADO 4
99
LISTA DE FIGURAS DE ANEXO B:
B.1 PRESENTACIÓN TERMACAM RESEARCHER® 100
B.2 VENTANA DE PROPIEDADES 1 100
B.3 VENTANA DE PROPIEDADES 2 101
B.4 PESTAÑA PARA ABRIR ARCHIVOS 101
B.5 UBICACIÓN DE ARCHIVOS DENTRO DE LA COMPUTADORA 102
B.6 PESTAÑA PARA REALIZAR ANÁLISIS 102
B.7 CUADRO PARA GUARDAR EL ANÁLISIS 103
B.8 VISTA FINAL DEL ANÀLISIS 103
13
NOMENCLATURA
µs microsegundo.
cd corriente directa
Ca corriente altera
Ω Ohms.
V Volts.
σ conductividad eléctrica.
kV kilo volts.
°C grados centígrados.
F frecuencia.
I Corriente
Min minutos.
R resistencia.
kW kilo watts.
km. kilómetro.
m. metro.
cm. Centímetros
mm. Milímetros
Pc pérdidas por corriente.
Kc constante de
proporcionalidad.
H Henry.
D espesor de la laminación.
14
Ø flujo magnético.
Bmax densidad máxima de flujo
Kh constante de
proporcionalidad.
VA voltamper.
W Watts.
PD descarga parcial.
N número de espiras.
Q carga eléctrica.
εr permitividad relativa
VPI impregnación en vacío
ε
τ
ρ
TR
emisividad.
transmisión.
reflexión.
transformador
15
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Bobina. Elemento de inducción electromagnética que forma parte de motores
de baja, media o alta tensión. Formado por espiras o arrollamientos
generalmente de cobre, que almacena energía en forma de campo
magnético.
Aislamiento. Se produce cuando se cubre un elemento de una instalación
eléctrica con un material que no es conductor de la electricidad, que
resiste el paso de la corriente a través del elemento que recubre y lo
mantiene en su trayectoria a lo largo del conductor.
Dieléctrico. Material que conduce la electricidad de forma parcial a
diferencia de los aislantes que se oponen rotundamente al paso de la
corriente, éste llega a tener una conductividad gradual.
Recubrimiento Semiconductor. Material comúnmente fabricado con
carburo de silicio en una matriz polimérica. Utilizado para poder
atenuar el campo eléctrico que disipa calor.
Recubrimiento conductor. Es una capa que mantiene uniforme el potencial
en la periferia de la bobina en las paredes del estator y la salida a
tierra, usualmente se utiliza pintura conductora o cintas que están
hechas de poliéster tejido y se impregna con una resina cargada con
grafito.
Resistencia de Aislamiento. Prueba realizada a los aislamientos eléctricos
para determinar su resistencia ante un voltaje máximo controlado y
permitido por su diseño o grosor, en muchos casos se toma un
voltaje de falla calculado.
Termografía. Técnica que permite la medición de la radiación infrarroja que
emite cualquier objeto, determinando gracias a esto la temperatura a
cierta distancia y sin contacto físico. Utilizando usualmente cámaras
termográficas.
Vida Útil. Tiempo estimado en el cual un equipo, maquinaria o elementos que
los conforman son aprovechados al máximo sin sufrir algún daño o
avería.
16
Descargas Parciales. Es el nombre que se le da al fenómeno eléctrico que
consiste en la ionización del aire, sobre pasando sus niveles de
conductividad y creando una transición de 2 moléculas de oxigeno
(O2) a ozono (O3) éste es agresivo a los aislamientos y los degrada
de manera más rápida.
Potencial Eléctrico. Es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para
traer una carga desde el infinito hasta el punto considerado en contra
de la fuerza eléctrica. Comúnmente expresada en Volts, también se
conoce como tensión.
Atenuar. Es la capacidad de un elemento en disminuir de forma gradual ya
sea el campo eléctrico o la temperatura, por ejemplo el recubrimiento
semiconductor.
Sección de devanado. Conjunto de espiras o de discos de un devanado.
Esfuerzo eléctrico. Es la intensidad de campo eléctrico al que se
encuentran sometidos materiales aislantes.
Capítulo 1
17
CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN
1.1 GENERALIDADES.
Se les llama máquinas eléctricas rotatorias a aquellas que sirven como sistemas de
conversión de la energía mecánica a energía eléctrica o viceversa.
Las máquinas eléctricas son clasificadas en tres categorías:
A) Máquinas eléctricas rotatorias de inducción o asíncronas. Estas se utilizan para
accionar todo tipo de equipos; son las más simples y económicas pero son
demasiado robustas.
B) Máquinas eléctricas rotatorias síncronas. Se utilizan principalmente como
generadores, aunque también se utilizan como motores.
C) Máquinas de corriente continúa. Este tipo de máquina suele ser muy frágil debido
al colector y las escobillas, en la actualidad su uso ha ido en descenso ya que
existen máquinas de mayor eficiencia.
En general las máquinas eléctricas rotativas están constituidas por 2 partes; una giratoria
y otra estatórica. Dentro de la parte giratoria se encuentra el rotor, separado por el
entrehierro para permitir que entre estos haya un giro libre. El estator está construido por
chapas magnéticas aisladas que se encuentran apiladas y un devanado trifásico en las
ranuras de la superficie exterior. Para máquinas de baja tensión y potencias bajas; el
devanado está hecho con hilo de cobre esmaltado y para máquinas de media tensión se
usa cobre aislado con mica-epoxi y en caso del rotor, éste debe tener forma de cilindro
con ranuras en el interior.
Las tres categorías de máquinas rotativas tienen dos importantes formas de operar:
A) Motores que convierten la energía eléctrica en energía mecánica; en este caso, si a las espiras que están sobre los conductores se les aplica una corriente para hacerlas funcionar, éstas tienden a girar debido a la fuerza que se presenta y entonces la máquina opera como motor.
B) Generadores o también llamados alternadores convierten energía mecánica en energía eléctrica, estos pueden ser de corriente directa o corriente alterna; si el funcionamiento de la espira es iniciado mecánicamente, en el exterior aparece una fuerza electromotriz que hace que una corriente circule por estas, siempre y cuando exista un circuito cerrado, entonces se dice que opera como un generador.
Las máquinas eléctricas han sido de suma importancia en el ámbito industrial, sobre todo
los motores se han vuelto una forma indispensable de vida ya que estos pueden ser
utilizados en la generación de energía eléctrica.
Capítulo 1
18
Las averías que generalmente suelen presentarse en estos tipos de máquinas eléctricas
rotativas son:
A) Fallas mecánicas o daños en los cojinetes, aflojamientos y desalineación por mencionar algunos.
B) Asimetrías rotarias como son roturas de barras o en los anillos, averías en el entrehierro o la modificación en su tamaño.
C) Fallas en los núcleos magnéticos que se presentan cuando se degrada el aislamiento entre laminaciones y se generan corrientes parásitas presentándose un calentamiento en el núcleo.
D) Defectos en el aislamiento que son ocasionados por esfuerzos dieléctricos y mecánicos elevados. El sistema de aislamiento es uno de los más susceptibles a sufrir daño. Una encuesta realizada en los Estados Unidos de Norte América comprobó que el 36% de las fallas ocurridas en motores han sido por daños en el aislamiento en el estator y estos han terminado en corto circuito, el 9% se debe a fallas en los devanados del rotor manifestados como ruptura de barras [1].
Los sistemas de aislamiento deben estar constituidos por buenos materiales aislantes y
de soporte, con buenas propiedades mecánicas y térmicas. Uno de los materiales más
utilizados desde finales del siglo pasado es la mica aplicada en forma de láminas
compactadas o papel compuesto de este material. Como soporte se utiliza papel o
poliéster y en algunos casos se utilizan resinas sintéticas de tipo epoxi. Con la
introducción de sistema mica-pack (cinta de papel o mica con lígante –epóxico) en el año
de 1960, surgen máquinas de mayores dimensiones y con un mejor desempeño tanto
eléctrico, mecánico como térmico, alargando los periodos de vida de éstas, ya que las
características de los aislantes fueron mejores.
A comienzos del siglo pasado, el medio aislante utilizado en máquinas eléctricas, estaba
formado por hojuelas de mica ligadas con goma-laca y con un refuerzo de papel de
celulosa, en ciertos períodos se usó micafolium con asfalto como agente ligante.
La técnica de aislar los lados rectos de las bobinas envolviéndolos en grandes hojas se
simplificó cuando empezaron a emplearse máquinas para encintar, hacia el año de 1910
[1]. De forma adicional se pueden recubrir las barras y bobinas en la zona de la ranura
mediante un encintado que protege al muro aislante de posibles daños que pudieran
presentarse en esta zona por la presencia de descargas parciales. A este reforzamiento
se le llama recubrimiento conductor y está constituido generalmente por cintas con grafito.
La capa que está aplicada al final del recubrimiento conductor es llamada recubrimiento
semiconductor, el cual es un compuesto con carburo de silicio cuya función es atenuar la
tensión en esta zona y así evitar la presencia de descargas superficiales.
Capítulo 1
19
El medio aislante que está entre los conductores del devanado y la tierra o la carcasa
forman lo que se conoce como aislamiento a tierra. La resistencia de aislamiento es una
de las pruebas más utilizada en cuanto a la predicción de daños en los aislantes, sin
embargo, ésta no es muy útil para determinar el grado de envejecimiento del sistema de
aislamiento [2].
La termografía infrarroja surge desde la segunda guerra mundial aunque en esos años los
únicos que la utilizaban eran los militares, en la actualidad ésta se ha ido incrementado
considerablemente en el mercado eléctrico, como una forma de mantenimiento
preventivo, predictivo y correctivo utilizando imágenes térmicas y sin necesitar el contacto
físico con el equipo o instalación que se está inspeccionando. En el área eléctrica se
utiliza específicamente para baja, media y alta tensión ya que al realizar la inspección por
termografía infrarroja no es necesario desconectar el equipo o instalación [3]. En este
trabajo se analiza el uso de esta técnica para la inspección de recubrimientos
semiconductores de bobinas de 13.8 kV.
1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.
Como se comentó anteriormente, en las máquinas eléctricas suelen presentarse fallas en
los devanados que afectan su vida útil. El sistema de aislamiento es uno de los
componentes más susceptibles al daño y/o envejecimiento, por lo que una gran parte de
las fallas en este tipo de máquinas es asociada a este sistema.
Una de las partes del sistema de aislamiento que puede llegar a sufrir daños con mayor
frecuencia son los recubrimientos conductor y semiconductor, que se utilizan en la
superficie de la bobina. El recubrimiento conductor (carbón o grafito) que se aplica entre la
superficie aislante de la bobina y las paredes de la ranura, protege y mantiene la
superficie de la bobina a un potencial igual al de la pared, evitando entre ella y la ranura
descargas parciales. El campo eléctrico que aparece en el aire u otro gas que forma
cavidades entre la superficie de la bobina y la pared del estator puede ser soportado
hasta un valor crítico; después del cual el gas se ioniza dando origen a descargas
parciales que eventualmente irán erosionando el material aislante, de ahí la importancia
del recubrimiento conductor.
En el caso de el recubrimiento semiconductor, se aplica al terminar el recubrimiento
conductor (afuera de la ranura) y tiene como función producir una transición gradual entre
el potencial a tierra del recubrimiento conductor y la alta tensión en la superficie de la
bobina, evitando así la presencia de descargas superficiales, estos recubrimientos
semiconductores son comúnmente fabricados con carburo de silicio en una matriz
polimérica. El recubrimiento semiconductor es utilizado para poder atenuar el campo
eléctrico, lo cual es acompañado por disipación de calor.
Capítulo 1
20
Existen algunas pruebas que pueden mostrar la presencia de problemas en estos
recubrimientos, tales como la detección de descargas parciales o inspección ultravioleta.
Sin embargo, en ambos casos el recubrimiento ya debe de estar dañado para permitir la
presencia de descargas eléctricas.
Por lo anterior, existe la necesidad de contar con técnicas para verificar el funcionamiento
de estos recubrimientos antes de presentar descargas o si estas ya están presentes
poder ubicarlas.
En este trabajo se muestra como la inspección termográfica puede ser utilizada para
identificar problemas en los recubrimientos; conductor y semiconductor, antes de que
inicien descargas parciales en la superficie de la bobina. En la figura 1.1 se muestran
esquemáticamente los componentes necesarios para llevar acabo una correcta
atenuación del campo eléctrico en una bobina a la salida del estator, mostrando como las
líneas equipotenciales se separan entre ellas cuando se aplica la capa semiconductora en
la bobina.
FIGURA 1.1.- Esquema del extremo de una bobina indicando sus componentes, para la atenuación del campo eléctrico
Los recubrimientos se pueden ver afectados por varios factores, como son:
A) Temperatura.
B) Humedad.
C) Contaminación.
D) La aplicación de una sobretensión o la circulación excesiva de corriente.
Capítulo 1
21
Debido a la gran importancia del funcionamiento de los recubrimientos semiconductores
en bobinas de máquinas de media tensión, se realizará un análisis de su desempeño; que
permitirá mostrar algunos indicios de la mala operación de los recubrimientos. Esto se
llevará a cabo por medio de una simulación y una inspección termográfica, detectando así
las fallas por medio de la temperatura que estas emiten.
1.3 ANTECEDENTES.
Con el tiempo se han realizado estudios del comportamiento de las máquinas eléctricas
rotativas y del funcionamiento de cada una de las partes que las componen, para
diseñarlas y utilizarlas con la mayor eficiencia posible. En el presente siglo se ha puesto
atención en el sistema de aislamiento, específicamente en la parte final de la bobina y el
sistema a tierra. Varios investigadores han hecho estudios y pruebas sobre esta parte de
las máquinas, dentro de estas investigaciones se encuentran los artículos de N. Frost [7],
Emery [6], J. A. Alison [8] y Roberts [9]. En estos trabajos se describen los resultados de
pruebas realizadas a los recubrimientos, y se describe la importancia de su uso en
máquinas de media tensión.
El artículo de Frost [7] menciona que en máquinas de media tensión se crean campos
eléctricos no uniformes en la parte final del recubrimiento conductor, generando
descargas superficiales que dan lugar a la degradación del sistema de aislamiento. El
intenso campo eléctrico que se genera en esta zona puede ser controlado colocando
recubrimientos semiconductores a lo largo de la superficie. Estos materiales son
típicamente de carburo de silicio y poliéster y pueden tener diferentes grados de no
linealidad, en este trabajo se muestran diferentes materiales y sus características.
En el artículo de Emery [6] también se discute el uso de cintas semiconductoras, las
cuales son generalmente de poliéster con una impregnación de resina cargada de carburo
de silicio, se menciona que este tipo de barniz tarda en secar 24 horas aproximadamente.
En éste, también se hace mención a un estudio que se realizó para determinar el rango
de la resistencia de la capa conductora, así como sobre los efectos de disipación de
energía térmica y el envejecimiento de la cinta. Se considera que un aumento de
temperatura puede ser una base racional para determinar el límite de la resistividad de la
capa conductora. Cualquier elevación de temperatura produce un aumento en la tasa de
degradación térmica de la cinta conductora. Este envejecimiento térmico debe de ser
aminorado mediante un re-diseño del recubrimiento. En este trabajo se establece que a
medida que la capa conductora envejece térmicamente, su resistencia disminuye y la
corriente aumenta, lo cual provoca que llegue a quemarse. Una alternativa que presenta
este artículo, es la de utilizar una capa semiconductora que requiere menor tiempo de
secado, la cual se considera que da mejores resultados en la eliminación de descargas
superficiales.
Capítulo 1
22
En el artículo de J. A Allison [8] describe las características de los materiales utilizados en
los recubrimientos conductores y semiconductores. También se describen la
impregnación al vacío (VPI por sus siglas en inglés). Con el uso de cintas conductoras de
poliéster se tiene la ventaja de poder aplicar esta en capas delgadas para llenar los
pequeños espacios entre la superficie de la bobina y el estator. El propósito de estas
cintas, es reducir la intensidad de campo eléctrico superficial en la bobina por debajo de la
rigidez dieléctrica del aire. Coincide con el artículo de N. Frost, en que colocar una capa
de carburo de silicio, que tiene una resistencia no lineal, es indispensable para tensiones
superiores a 13.8 KV y recomienda aplicar dos capas de cinta sobre el primer 50%, de la
sección más cercana al estator de la máquina.
El artículo de Roberts [9] menciona que además del daño de las descargas parciales en el
aislamiento otro problema es la generación de ozono por estas descargas. El ozono
puede ser llevado por la corriente de aire de refrigeración fuera de la máquina, este gas
es asociado a una cierta toxicidad, por lo que se tiene que asegurar que la cantidad de
ozono se mantenga en niveles aceptables para prevenir problemas de salud con las
personas que están en constante contacto con el ozono.
Fallas en los recubrimientos conductor y semiconductor se han vuelto de importancia en
máquinas con modernos sistemas de aislamiento que soportan un mayor esfuerzo
eléctrico y por lo tanto son de menor espesor, y también en motores accionados por
controladores de velocidad con modulación PWM. Por lo anterior se vuelve indispensable
el contar con técnicas que ayuden a verificar la calidad de estos recubrimientos incluso
antes de ser instalados en las ranuras del estator.
Capítulo 1
23
1.4 OBJETIVOS.
1.4.1 OBJETIVO GENERAL.
Analizar el desempeño de los recubrimientos semiconductores en bobinas de máquinas
de 13.8 kV en base a un análisis con termografía infrarroja, para verificar su función como
atenuadores de campo eléctrico.
1.4.2 OBJETIVOS PARTICULARES.
1. Mostrar la necesidad del uso de los recubrimientos semiconductores.
2. Determinar los tipos de fallas que se pueden presentar en recubrimientos semiconductores por medio de termografía infrarroja.
3. Identificar los factores que afectan el desempeño de los recubrimientos semiconductores por medio de la termografía infrarroja.
Capítulo 1
24
1.5 JUSTIFICACIÓN.
Las máquinas eléctricas han sido y son importantes para la industria, aunado a esto, el
incremento de la capacidad de los motores para grandes procesos ha llevado a la
necesidad de que estas sean construidas para operar en media tensión (2 kV hasta 13.8
kV). Por su capacidad, estas máquinas se vuelven esenciales y cualquier falla en ellas
representa pérdidas económicas elevadas para las industrias.
El sistema de aislamiento es una de las partes más susceptible a fallas, por lo que
siempre existe la necesidad de contar con técnicas de diagnostico para evaluar estos
sistemas. El recubrimiento semiconductor es una de las partes del aislamiento más
críticas y aún no existe una técnica bien establecida para su evaluación.
Es por esto que el análisis del sistema aislante, específicamente, el área donde se
encuentran el recubrimiento conductor y semiconductor es de suma importancia pues se
dice que la vida útil de las máquinas eléctricas depende en gran medida de estos
componentes. Regularmente el daño que presentan durante su funcionamiento se puede
manifestar en forma de energía calorífica, esto quiere decir que existen pérdidas
eléctricas produciendo elevaciones de temperatura, los puntos calientes degradan los
materiales aislantes y con el tiempo esto puede llevar a la falla completa de la máquina.
La generación de calor es una consecuencia natural de la propiedad de atenuar el campo
eléctrico en la superficie de las bobinas. Sin embargo, cuando el calor disipado se vuelve
excesivo o cuando éste se localiza de manera no común en la superficie de la bobina,
esto implica que el recubrimiento podría no estar funcionando correctamente. Por lo
anterior en este trabajo se busca establecer la utilidad de la inspección infrarroja para la
evaluación de los recubrimientos semiconductores.
Esta técnica ha sido utilizada como una forma de mantenimiento preventivo, predictivo y
correctivo, utilizando imágenes térmicas, y es recomendada, ya que no necesita contacto
físico con el equipo que se está inspeccionando ni se requiere el paro de la producción o
generación.
Capítulo 1
25
1.6 APORTACIONES.
En este trabajo de tesis se realizó el análisis del desempeño de recubrimientos
semiconductores de bobinas de media tensión en la zona determinada como empalme,
que es donde converge la cinta conductora y semiconductora. Esto se hace con el fin de
verificar el correcto funcionamiento de la cinta semiconductora como atenuador del campo
eléctrico.
Inicialmente se realizaron simulaciones para observar las zonas donde pudiera existir
mayor presencia de calor, y mediante la inspección termográfica mostrar si las
simulaciones coinciden con los puntos de mayor calor. Al localizar estos puntos se
detectan las zonas propensas a desgastes y rupturas eléctricas, y se confirma si las
capas conductora y semiconductora cumplen o no con su función. Las imágenes
infrarrojas son comparadas con imágenes en forma de calca del área del empalme para
verificar la correspondencia de los puntos calientes con la disposición del encintado de los
recubrimientos.
Capítulo 1
26
1.7 ALCANCES Y LIMITACIONES.
ALCANCES:
1. Las pruebas fueron realizadas en bobinas conformadas, reales de 13. 8 kV.
2. Se utilizaron placas aterrizadas en las paredes laterales de las bobinas para simular la
ranura del estator.
3. Se analizaron 16 secciones terminales con recubrimientos semiconductores.
LIMITACIONES:
Al realizar en análisis se prescindió de lo siguiente:
1. Realizar el estudio con la bobina colocada en el núcleo del estator.
2. Realizar un estudio general de todas las bobinas montadas en la máquina para
observar su funcionamiento y verificar si el análisis es correcto.
Capítulo 1
27
1.8 ESTRUCTURA DE LA TESIS.
Capítulo 1.-
En este capítulo se da una breve explicación de las máquinas eléctricas en general, se
describe el problema dando una breve introducción al tema de tesis y mostrando la zona
de la bobina de 13.8 kV en la cual se localizan los recubrimientos conductor y
semiconductor (área de inspección). Además se delimitan los objetivos, se presentan la
justificación, aportaciones, alcances y limitaciones del trabajo de tesis.
Capítulo 2.-
Se describen todos los elementos que tienen un papel determinante para el
funcionamiento correcto de los sistemas de aislamiento en máquinas de media tensión,
como se clasifican los aislamientos y los efectos que producen su deterioro. En particular
se abordan las características particulares de cada parte constitutiva de los aislamientos
utilizados en bobinas de 13.8 kV.
Capítulo 3.-
Dentro de este capítulo se toma en cuenta las consideraciones teóricas acerca de los
recubrimientos; conductor y semiconductor, además de los conceptos básicos para
comprender el funcionamiento de la cámara termográfica.
En este capítulo se muestra los resultados obtenidos mediante simulaciones de campo
eléctrico a una bobina de 13.8 kV, tanto en dos como en tres dimensiones para poder
compararlo con las pruebas realizadas en el laboratorio, de esta forma se tiene un punto
de comparación o un resultado esperado al momento de realizar el análisis de forma
experimental.
Capítulo 4.-
En este capítulo se da una breve explicación de la manera en la que se utiliza el programa
computacional con que se realiza la inspección por medio de la termografía infrarroja,
además del procedimiento y los aparatos utilizados en la realización de las pruebas
experimentales dentro del laboratorio.
Otra parte importante para la realización del análisis, fue obtener las imágenes calcadas
de la zona del empalme de la bobina de 13.8 kV , lo cual es indispensable para poder
comparar todos los resultados obtenidos en cada prueba realizada.
Capítulo 1
28
Posteriormente se hace el análisis y se muestran los resultados obtenidos de las pruebas
a los recubrimientos semiconductores comparando las tres imágenes obtenidas la imagen
digital, la calcada y por último la imagen termográfica.
Capítulo 5.-
En este capítulo se presentan las conclusiones de la inspección termográfica dando
recomendaciones para trabajos futuros.
Una vez hecho el análisis se dan los factores que afectan el funcionamiento del
recubrimiento semiconductor, se presentan las zonas de mayor calentamiento y se hace
mención del problema para dar una posible solución.
Capítulo 6.-
En este capítulo se presenta la justificación económica del costo del análisis realizado al
recubrimiento semiconductor..
Capítulo 2
29
CAPÍTULO 2 : AISLAMIENTO EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATORIAS DE MEDIA TENSIÓN
2.1. INTRODUCCIÓN.
Existe una gran diversidad de materiales dieléctricos con diferentes propiedades
eléctricas, térmicas y mecánicas como son; vidrio, cerámica, goma, mica, cera, papel,
madera seca, porcelana, baquelita, así como algunas grasas para uso industrial y
electrónico. Algunos de estos son usados en el sistema de aislamiento de las máquinas
de media tensión, en este capítulo se describen las diferentes partes de este sistema de
aislamiento y las principales causas que producen su deterioro.
El envejecimiento térmico se produce a medida que los sistemas eléctricos de aislamiento
se van degradando como resultado del calentamiento excesivo, la mayoría de las veces
producido por efecto Joule en conductores o también llamadas pérdidas dieléctricas,
en aislantes. Se ha comprobado que la vida útil de los elementos del sistema decrece a la
mitad por cada aumento de 10 °C en la temperatura de funcionamiento [4]. En el caso
extremo el aislamiento se degradará y carbonizará rápidamente una vez que alcance el
límite de la temperatura a la cual está diseñado.
Los materiales aislantes que protegen conductores, ranuras y otras partes del motor se
clasifican en función de su máxima temperatura de operación. En motores y generadores
se emplean las cuatro clases térmicas de aislamiento que se presentan a continuación en
la Tabla 2.1. Más adelante se describen con detalle los materiales utilizados en cada
clase.
TABLA 2.1 Clasificación de los aislamientos respecto a su temperatura máxima de operación.
CLASE TEMPERATURA
Clase A (105°C)
Clase B (130°C)
Clase F (155°C)
Clase H (180°C)
Capítulo 2
30
2.2. PROBLEMAS TÍPICOS EN EL AISLAMIENTO DE MÁQUINAS
ELÉCTRICAS ROTATIVAS.
Se llama aislamiento eléctrico al material o medio que es colocado entre conductores que
se encuentran a diferentes potenciales y que solo permiten pasar una corriente pequeña
que se encuentra en fase con el voltaje que se le ha aplicado. Este medio o material es
usualmente representado con una resistencia y un capacitor que está en paralelo.
Los daños y rupturas en estos materiales suelen darse por esfuerzos eléctricos excesivos,
por el envejecimiento térmico, por fallas mecánicas, entre otros factores. Estas
condiciones modifican las características resistivas y capacitivas del material dieléctrico lo
cual se ve en muchos casos reflejado con un incremento de la corriente a través del
material que genera calor. Una vez que se genere calor, si este hace que se rebase el
límite de la temperatura permitida, el aislante se degradará y se carbonizará en el caso
extremo.
En la superficie de los aislantes sólidos, y en interfaces con otros medios aislantes, una
falla muy común es la formación de trayectorias carbonizadas, las cuales se forman
cuando circula una gran corriente sobre las superficies. Este mecanismo de falla se da
muy a menudo cuando se aplican sobretensiones a los equipos o cuando existe
contaminación en las superficies aislantes. Estas trayectorias se pueden ir haciendo más
extensas hasta llegar a producir cortocircuitos.
Otro problema que llega a presentarse en el sistema de aislamiento de máquinas de
media tensión, es la presencia de descargas parciales. Las descargas parciales son una
ruptura localizada que aunque no producen la falla instantánea del aislamiento, estas
degradan paulatinamente al dieléctrico.
2.3. CLASE DE AISLAMIENTO Y CLASIFICACIÓN TÉRMICA
Existen temperaturas máximas permitidas a las cuales el sistema de aislamiento de una
máquina rotativa puede operar sin dañarse. Estas temperaturas máximas se clasifican
conforme a la IEC [13] como se muestra en la tabla 2.2, donde se enlistan los materiales
más comunes utilizados en cada clase.
Capítulo 2
31
TABLA 2.2 Clasificación de los materiales de un sistema de aislamiento respecto a su temperatura máxima de operación [13].
2.4. VIDA ÚTIL Y SU DETERMINACIÓN
El índice del desempeño de las máquinas se llega a determinar por medio de
consideraciones mecánicas y térmicas. Por ejemplo la corriente máxima, por lo general se
determina mediante la temperatura máxima de operación que puede soportar el
aislamiento sin daño o una reducción excesiva de vida útil. Tomando en cuenta este
ejemplo se puede determinar la velocidad máxima de un motor o un generador mediante
la consideración mecánica relacionada con la integridad estructural del rotor o el
rendimiento de los cojinetes. Por lo que se puede decir que la elevación de la temperatura
resultante de las pérdidas óhmicas, mecánicas ó por carga dispersa en el núcleo nos
ayudará a determinar el nivel de operación de la máquina, así, como del tiempo de vida
de los aislamientos.
Por tanto se puede decir que la temperatura de operación de una máquina eléctrica está
íntimamente asociada a su vida útil debido a que el deterioro del aislamiento está en
función tanto del tiempo como de la temperatura.
Clase Tipo de Materiales Temperatura
Y Fibrosos a base de celulosa o ceda, no saturados, no inmersos en
líquidos aislantes, y materiales semejantes. 90°C
A Fibrosos, a base de celulosa o seda, típicamente saturados con
líquidos aislantes y otros materiales semejantes. 105 °C
E Fibras orgánicas sintéticas y otros materiales. 120°C
B Comprenden materiales a base de poliéster y polimidicos aglutinados
con materiales orgánicos o saturados con estos. 130 °C
F Materiales a base de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinados con
materiales sintéticos, en general siliconas, poliésteres o epóxidos. 155 °C
H Materiales a base de mica, asbestos o fibra de vidrio aglutinados
típicamente con siliconas de alta estabilidad térmica 180°C
C Incluye mica, vidrio cerámica y cuarzo sin aglutinante. mayor a 180°C
Capítulo 2
32
Este deterioro del aislamiento se presenta en un fenómeno químico donde se llega a una
oxidación y un endurecimiento que vuelve quebradizo al material por lo que esto conduce
a la pérdida de la durabilidad mecánica y la capacidad de trabajar como un dieléctrico.
Eso se puede representar mediante la Ecuación 2.1 [14].
t.v = AeB/T. EC. 2.1
En donde;
t.v= tiempo de vida útil
A y B =constantes
T= temperatura absoluta;
Cuando se grafica la vida útil en una escala logarítmica contra el reciproco de la
temperatura absoluta en una escala uniforme, debe resultar una línea recta. Las gráficas
de ese tipo constituyen guías valiosas en la evaluación térmica de los materiales y los
sistemas de aislamiento.
Es posible obtener una idea muy aproximada de la relación vida/temperatura a partir de la
regla empírica de que el tiempo de falla del aislamiento orgánico se reduce a la mitad por
cada elevación de 8 a 10 °C.
Las pruebas aceleradas de vida en modelos, llamados motoretts (pruebas de vida
acelerada para la evaluación del aislamiento en máquinas pequeñas) son de uso común
en la evaluación del aislamiento. Sin embargo, esas pruebas no son fáciles de aplicar a
todo el equipo, en especial a los sistemas de aislamiento de máquinas grandes.
En general, en las pruebas de vida se intenta simular las condiciones de servicio. Suelen
incluir los siguientes elementos:
1. Choque térmico resultante del calentamiento a la temperatura de prueba.
2. Calentamiento sostenido a esa temperatura.
3. Choque térmico resultante del enfriamiento hasta la temperatura ambiente o por
debajo de esta.
4. Vibración y esfuerzo mecánico como los que pueden encontrarse en el servicio
real.
5. Exposición a la humedad.
6. Pruebas dieléctricas para determinar la conducción del aislamiento.
Capítulo 2
33
La dependencia de la vida útil de los materiales aislantes respecto a su temperatura es
primordial, es por eso que existen diversos tipos o clasificaciones dependiendo de la
temperatura de operación. Como se muestra en la ecuación 2.1 donde solo se utiliza una
temperatura absoluta, a diferencia de la ecuación 2.2 donde se utiliza una constante
dependiendo de la clase a la que pertenezca el aislante y así obtener un tiempo de vida
esperado.[14].
EC. 2.2
Donde:
Capítulo 2
34
2.5. SISTEMAS DE AISLAMIENTO DE MÁQUINAS DE MEDIA TENSIÓN
(MÁQUINAS QUE OPERAN A MAS DE 1000V)
En máquinas de media tensión para el embobinado del estator se colocan bobinas
preformadas donde se utilizan conductores de forma cuadrada o rectangular, cabe
mencionar que para la construcción del devanado es necesario que las bobinas sean
separadas antes de ser colocadas en las ranuras del estator.
Estas bobinas se forman por vueltas continuas de conductor hasta llegar a la forma
llamada tipo ”diamante”, teniendo desde dos hasta doce vueltas con una conexión dentro
del bobinado que va a depender del número de polos para el cual se diseñe la máquina.
Con el propósito de tener una mayor eficiencia en el uso del espacio en ranuras, este tipo
de bobinas es el más utilizado, puesto que este sistema permite el uso de la máxima
cantidad de conductor. Además esta disposición permite mantener las primeras vueltas
separadas de las últimas, condición importante en estos niveles de tensión y a diferencia
de las aleatoriamente distribuidas que se utilizan en baja tensión. Esto se observa en la
Figura 2.1.
FIGURA 2.1 Elementos y partes del devanado conformado en forma transversal.
Cada elemento que conforma el aislamiento del embobinado tiene diferentes
características con las cuales se busca hacer al sistema más eficiente y menos propenso
a fallas.
Capítulo 2
35
2.5.1. ELEMENTOS QUE COMPONEN EL SISTEMA DE AISLAMIENTO
2.5.1.1. AISLAMIENTO ENTRE HILOS
Este es el más cercano a los conductores portadores de corriente y el más expuesto a las
altas temperaturas, es por eso que deben ser considerados dos tipos de fallas
importantes para evitar su deterioro.
1. Las mecánicas: cuando la corriente que viaja por la sección transversal de los
conductores es alta.
2. La eléctrica: si los conductores tuvieran un espesor mayor de 8.5 mm la corriente no
circularía uniformemente en la sección transversal, sino que es concentrada hacia la
superficie, lo cual ocasionaría el aumento de la resistencia efectiva y se presenta una
pérdida de energía, para evitar que esto suceda se aíslan los hilos que forman al
conductor.
2.5.1.2. AISLAMIENTO ENTRE VUELTAS.
El aislamiento entre vueltas se encuentra directamente en contacto con los conductores.
Cuando una corriente excesiva fluye por los conductores se incrementan las pérdidas por
efecto Joule y la temperatura se eleva lo que paulatinamente degrada el aislamiento [9].
Normalmente cuando la máquina opera, sufre un esfuerzo mecánico que es inducido por
las fuerzas magnéticas generadas en el estator esta fuerza a su vez actúan sobre el
aislamiento entre vueltas.
Otra condición que afecta considerablemente a el aislamiento entre vueltas, son las
sobretensiones de frente rápido, las cuales pueden llegar a generar distribuciones no
lineales de tensión a lo largo de las bobinas, esforzando al aislamiento entre vueltas por
arriba de su condición normal de operación.
2.5.1.3. AISLAMIENTO A TIERRA
El aislamiento de los conductores a tierra tiene como función mantener una barrera
eléctrica entre éstos y el núcleo del estator que está conectado a tierra. De esta forma los
conductores están separados de las paredes del estator.
Capítulo 2
36
Una característica importante de diseño de este aislamiento es su grosor ya que debe de
ser tal que soporte la tensión aplicada, pero que además permita transferir de manera
adecuada el calor de los devanados al estator.
Para evitar vibraciones en los conductores causadas por la fuerza magnética a
consecuencia de altas corrientes, se utiliza el diseño mecánico que se muestra en la
figura 2.2, si éste no fuera el adecuado provocaría que hubieran espacios de aire y se
tendrían vibraciones. [4].
FIGURA2.2 Sección transversal del sistema aislante del estator dentro de la ranura [4].
Capítulo 3
37
CAPÍTULO 3 RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR DE BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN
3.1. INTRODUCCIÓN.
En este capítulo se describe la utilidad y el comportamiento de los recubrimientos
conductor y semiconductor en las bobinas de media tensión, y la importancia del buen
funcionamiento de ambos recubrimientos para evitar problemas en el sistema de
aislamiento. También en este capítulo se describe como la termografía infrarroja puede
ser utilizada para detectar problemas en el recubrimiento semiconductor.
3.2. TIPOS DE RECUBRIMIENTOS EN BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN
Los recubrimientos conductor y semiconductor en bobinas de media tensión sirven para la
atenuación de esfuerzos eléctricos. Estos recubrimientos juegan un papel importante en
el sistema de aislamiento ya que previenen la aparición de descargas parciales que
pudieran presentarse en las bobinas, específicamente en donde se encuentran intersticios
de aire entre ésta y el núcleo del estator y a la salida de las bobinas de la ranura.
Cuando las máquinas rotatorias de media tensión son operadas, por los niveles de
tensión que se manejan se genera un campo eléctrico considerablemente alto entre los
conductores energizados y los componentes que están a tierra, así como entre
conductores a diferentes potenciales. El campo eléctrico es no uniforme en la mayoría de
las partes energizadas de la máquina, por lo que, si este campo es lo suficientemente
alto, (superior - 3000 V / mm) puede llegar a producir la ionización del aire, es decir una
descarga parcial en cavidades o en la superficie de las bobinas. Con el tiempo estas
descargas carbonizan a los materiales aislantes produciendo cortos circuitos dentro de la
máquina.
Cuando se aplica tensión entre el conductor y la cinta conductora, la discontinuidad en el
final de la cinta puede resultar en un alto esfuerzo eléctrico a lo largo de la superficie del
aislamiento. Es en esta zona donde se coloca la cinta semiconductora que sirve para
controlar el campo eléctrico al final de la cinta conductora.
La cinta conductora ayuda a que no existan separaciones entre la bobina y la ranura del
estator a diferentes potenciales, eliminando las posibles bolsas de aire que puedan
producir descargas. La pintura o cinta conductora se utiliza solo en la sección de la bobina
dentro de la ranura para que su superficie se encuentre al mismo potencial que el núcleo
del estator. Este material es típicamente un aglutinante en la forma de una cinta o pintura
con grafito.
Capítulo 3
38
El recubrimiento semiconductor se diseña dependiendo del nivel de tensión que le será
aplicado, encontrándolo en forma de una cinta o pintura, según convenga mejor su
aplicación. Sin este material, los campos eléctricos en el final del brazo de la bobina
degradarían los aislantes, ocasionando averías al motor, es por eso que se necesita un
recubrimiento semiconductor adecuado al nivel de tensión. La función del recubrimiento
semiconductor es reducir al máximo el gradiente de campo eléctrico en la zona antes
mencionada de la bobina.
En resumen, en las máquinas de media tensión se utilizan dos tipos de recubrimientos
para poder reducir o atenuar la intensidad de campo eléctrico.
1. Recubrimiento conductor
2. Recubrimiento Semiconductor
En la figura 3.1 se muestra la sección del final del brazo de la bobina donde son usados
los dos tipos de recubrimientos, semiconductor y conductor. En la parte A, se usa pintura
conductora o cintas, que están hechas de poliéster tejido y se impregnan con una resina
cargada de grafito. En cuanto a la parte B, el recubrimiento semiconductor que es de un
compuesto cargado con carburo de silicio, permite un cambio gradual de tensión elevada
que se presenta entre el recubrimiento conductor a tierra y la superficie del conductor.
Una diferencia marcada entre ambos es que en el recubrimiento conductor la
conductividad (σ) es constante y en el recubrimiento semiconductor la (σ) depende del
campo eléctrico. A continuación se describen con más detalle ambos recubrimientos.
FIGURA3.1. Recubrimiento conductor y semiconductor para el control de campo eléctrico en
las bobinas conformadas.
Capítulo 3
39
3.2.1. RECUBRIMIENTO CONDUCTOR
El recubrimiento conductor en las bobinas de media tensión, es pintura que mantiene la
misma tensión entre el estator y la sección del final del brazo de la bobina.
Al encontrar pequeñas bolsas de aire en la ranura del estator y la bobina, la tensión
genera la ruptura del aire, esto puede ocasionar el daño tanto de la ranura como en los
sistemas de aislamiento de la bobina. La ruptura de las superficies se encuentra
altamente relacionada con la humedad y la separación que exista entre la bobina y la
ranura, es por eso que se utilizan estas cintas protectoras para que supriman la
posibilidad de ruptura en los espacios entre la ranura del estator y la bobina.
Las descargas parciales entre estator y la superficie dentro de la ranura además generan
ozono, este ozono es asociado a una cierta toxicidad, por lo que se tendrá que asegurar
que la cantidad de ozono se mantenga en cantidades aceptables para prevenir problemas
de salud con las personas laborando en las cercanías de las máquinas.
Con las cintas conductoras se tiene la dificultad de obtener una resistencia uniforme en la
superficie de la bobina, su método de aplicación es tardado y requiere de un tiempo largo
de secado.
La pintura conductora debe tener una resistencia específica que permita evitar descargas
en las cavidades de aire existentes entre la bobina y las laminaciones del estator pero que
no sea tan alta como para cortocircuitar las laminaciones del estator y provoque corrientes
eddy en esta zona [6]. Un valor típico de resistencia superficial para este recubrimiento es
de entre 102 a 104 /cuadro.
3.2.2. RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR
En los materiales semiconductores, su resistencia depende de la intensidad de campo
eléctrico. El valor de la resistencia se ve afectada por varios parámetros que no
únicamente incluyen las propiedades del producto sino también el método de medición, la
temperatura, el envejecimiento y su procesamiento.
Estos materiales se utilizan sólo en los grandes generadores o motores para controlar el
esfuerzo y eliminar las descargas parciales en el aislamiento del estator .
Para eliminar cualquier material que altere el funcionamiento de la cinta semiconductora,
en la superficie de la bobina se utilizan cintas protectoras, que por lo general son
materiales flexibles que actúan como un escudo de protección.
Capítulo 3
40
Los materiales utilizados actualmente pueden variar en su composición ya que a
consecuencia de los continuos desgastes a los que se ven expuestos, estas cintas están
fabricadas a base de lana de poliéster impregnada con carburo de silicio con una base de
resina. La resistencia de la cinta semiconductora es variable según la tensión de
aplicación [7].
El diseño de las cintas semiconductoras está en función de la tensión nominal de la
máquina, su función es reducir la intensidad de campo en la superficie de la bobina por
debajo de la intensidad de campo de ionización del aire.
La longitud de la cinta semiconductora se determina en función de la tensión nominal de
la máquina, como se muestra a continuación en la Ecuación 3.1.
EC. 3.1
Por ejemplo. Si la tensión de la máquina es de 11kV con una prueba de voltaje máxima de
23 kV tendremos lo siguiente:
Ejemplo de la Ecuación 3.1
Para tensiones superiores a 13,8 kV, se recomienda aplicar dos capas de cinta sobre el
primer 50% del recubrimiento (la más cercana al núcleo de la máquina) [8].
Capítulo 3
41
3.3. INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA PARA EL RECUBRIMIENTO
SEMICONDUCTOR EN BOBINAS DE 13.8 kV.
Antes de describir la técnica de la inspección termográfica primero es necesario definir
algunos conceptos fundamentales para después mostrar cómo esta técnica es utilizada
en esta tesis.
3.3.1. CALOR
La materia está compuesta por átomos y moléculas que se encuentran en constante
movimiento produciendo energía, la cual es considerada como calor. También se dice que
mientras más calor se aplique, el movimiento de los átomos y moléculas es más rápido y
la energía o calor va en ascenso.
Un objeto puede contener calor o energía térmica a base de un proceso de conversión de
la energía es decir por medio de transformación de la energía a calor. Esta energía
térmica puede ser transferida a otros cuerpos u objetos, se puede observar diariamente
en la vida cotidiana; simplemente al calentar algo, se incrementa la velocidad de las
moléculas tanto del objeto que es sometido a este cambio como del contenido del mismo
[12].
3.3.2. MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Se define a la transferencia de calor, como el cambio de temperatura entre dos cuerpos, o
bien cuando dos cuerpos tienen diferentes grados de temperatura son llamados fuente y
recibidor; la fuente es aquel objeto con mayor temperatura y el recibidor es el de menor
temperatura, esto quiere decir que la fuente va a transferir su temperatura al recibidor.
Existen 3 modos de transferencia de Calor:
1. Transferencia de calor por Conducción
2. Transferencia de calor por Convección
3. Transferencia de calor por Radiación
Capítulo 3
42
3.3.2.1. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONDUCCIÓN
Este tipo de transferencia de calor se da en sólidos, líquidos y gases, este tipo de
transmisión es importante para los termógrafos pues sirve para determinar el calor
transmitido. El valor transmitido por conducción estacionaria es directamente proporcional
a la σt conductividad térmica del objeto, sin embargo cuando el calor fluye en su sección
transversal, la diferencia de temperatura que existe entre dos puntos del objeto es
inversamente proporcional a la longitud o distancias entre estos.
3.3.2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN
Esta se da en los fluidos o bien en los líquidos o gases, lo que sucede en este tipo de
transferencia es que los fluidos calientes aumentan su proporción, el calor siempre va de
la zona más caliente a la zona más fría debido al movimiento molecular, mientras el fluido
esté caliente las moléculas están más alejadas y viceversa.
3.3.2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIÓN
Este tipo de transmisión es emitida por la materia por medio de ondas electromagnéticas
no necesita de medio alguno de contacto o de transmisión, incluso en el vacío se da la
transferencia de calor. [12].
3.3.3. TERMOGRAFÍA INFRARROJA
La termografía infrarroja va directamente relacionada con la radiación infrarroja, la cual
puede ser emitida por cualquier material o cuerpo cuya temperatura sea mayor al cero
absoluto (0 Kelvin = -273.15 C), que es detectada por la cámara termográfica. [12].
Esta cámara mide la onda larga de radiación infrarroja recibida en el campo de visión, a
partir de la cual calcula la temperatura del objeto a medir.
El cálculo toma en cuenta diversos factores que afectan las mediciones hechas por la
cámara termográfica y son determinantes para una correcta medición de la temperatura.
Capítulo 3
43
La Reflexión, la Transmisión y la Emisividad (ε) son los factores tomados en cuenta para
el ajuste y cálculo de la temperatura del objeto a medir. En donde la Emisividad de la
superficie del objeto medido así como la compensación de la temperatura reflejada se
puede ajustar manualmente en la cámara termográfica. La emisividad (ε) es la medida de
la capacidad de un material de emitir (propagar) radiación infrarroja. [12].
1. La ε varía según las propiedades de la superficie, el material, y, (para algunos materiales) según la temperatura del objeto medido.
2. Emisividad máxima: ε = 1 (100%). En realidad, nunca se da.
3. Cuerpos reales: ε < 1, porque los cuerpos reales también reflejan y algunos incluso transmiten radiación.
4. Muchos materiales no metálicos (p.ej. PVC, hormigón, sustancias orgánicas) tienen una elevada emisividad en el rango infrarrojo de onda larga que no depende
de la temperatura (ε ≈ 0.8 a 0.95).
5. Los metales, sobre todo aquellos con una superficie brillante, tienen una baja
emisividad que fluctúa con la temperatura.
6. La ε se puede configurar manualmente en la cámara.
7. Reflexión (ρ) es la medida de la capacidad de un objeto de reflejar la radiación infrarroja.
8. La ρ depende de las propiedades de la superficie, la temperatura y el tipo de material.
9. Por lo general, las superficies lisas y pulidas reflejan mucho más que las irregulares y sin pulir del mismo material.
10. La temperatura de la radiación reflejada se puede configurar manualmente en la cámara termográfica.
11. En muchas aplicaciones, la reflexión corresponde con la temperatura ambiente, medible con el termómetro.
12. El ángulo de reflexión de la radiación infrarroja reflejada es siempre el mismo que el ángulo de incidencia Transmisión (τ) es la capacidad de un material de transmitir (permitir el paso) la radiación infrarroja.
13. La τ depende del tipo y grosor del material
14. Muchos materiales no transmiten radiación infrarroja, es decir, son impermeables a la radiación infrarroja de onda larga.
Capítulo 3
44
Es común encontrar mediciones realizadas sobre materiales que no son en realidad los
que se quieren medir sino los que están en la parte posterior. Esto ya que al tratar de
mantener la integridad de los materiales y la afectación por polvo, humedad o cualquier
otro agente que afecte el funcionamiento de los materiales. Es aquí donde la transmisión
de la radiación infrarroja es detectada por las cámaras termográficas y la medición puede
ser incorrecta aunque la transmisión del material que cubre al objeto a analizar sea
demasiado alta.
La radiación infrarroja registrada por la cámara termográfica consiste en:
1. La radiación emitida por el objeto medido;
2. La reflexión de la radiación ambiente
3. La transmisión de radiación del objeto medido.
El resultado de la suma de estos factores es siempre 1 (100%), esto es que la suma de
los factores (radiación, reflexión y transmisión) es igual a 1, como se muestra en la
Ecuación 3.2.
ε + ρ + τ = 1 EC. 3.2
Dado que en la práctica, la transmisión juega un papel despreciable, la variable τ se
puede omitir. En la Ecuación 3.3 se muestra que la suma de radiación más reflexión son
iguales a 1 ya que la transmisión es despreciada por la cámara termográfica:
ε + ρ =1 EC. 3.3
.
En cuanto a la termografía, esto quiere decir que a menor emisividad, mayor proporción
de radiación infrarroja es reflejada. Esto ocasiona una mayor dificultad en la toma de
mediciones precisas, por lo que se vuelve importante buscar la configuración correcta de
la temperatura reflejada. Es por eso que al existir una mayor emisividad del material a
medir, la cámara termográfica es más confiable ya que la reflexión es mucho menor.
La verificación del correcto ajuste de emisividad es particularmente crucial cuando hay
grandes diferencias de temperatura entre el objeto medido y el entorno. Un ajuste de la
emisividad demasiado bajo resulta en unas lecturas de temperatura demasiado bajas.
Capítulo 3
45
En el caso de que la temperatura del objeto medido sea inferior a la temperatura
ambiente;
1. Un ajuste de la emisividad demasiado alto resulta en unas lecturas de temperatura
demasiado bajas.
2. Un ajuste de la emisividad demasiado bajo resulta en unas lecturas de temperatura
demasiado elevadas
3.3.4. LA TEMPERATURA AMBIENTE
En muchas aplicaciones, la temperatura reflejada corresponde a la temperatura ambiente.
Ésta se puede medir, por ejemplo, con el termómetro convencional, siempre que haya una
gran diferencia de temperatura entre el objeto a medir y la del medio ambiente, es de vital
importancia ajustar la emisividad de forma correcta, ya que en el espacio donde se realice
la medición o prueba pueden existir otro tipo de materiales que emita de forma propia una
radiación mayor a la del objeto en análisis, si su temperatura es mayor a la temperatura
del objeto a medición, esto afectaría al medio ambiente y la capacidad de transmitir y
reflejar las ondas de radiación infrarroja de otros elementos externos [12].
3.3.5. RADIACIÓN
Todo objeto con temperatura superior al cero absoluto (0 Kelvin = -273.15 °C) emite
radiación infrarroja, por lo que especialmente los objetos con una gran diferencia de
temperatura con el objeto a medir pueden alterar la medición por infrarrojos como
resultado de su propia radiación. En estos casos, se deben evitar estas fuentes de
interferencia en la medida de lo posible.
Las características especiales de la termografía en exteriores son; la radiación infrarroja
emitida desde un cielo despejado, la radiación se encuentra entre los parámetros de
temperatura de -50 °C a -60 °C y la luz caliente del sol se refleja durante el día. El área
del cielo supera en mucho a la del sol, por lo que la temperatura reflejada en la
termografía en exteriores siempre se sitúa por debajo de 0 °C, incluso en un día soleado.
Los objetos almacenan calor como resultado de la absorción de los rayos del sol, lo que
afecta considerablemente a la temperatura de sus superficies, en algunos casos durante
horas después de la exposición al sol [12].
Capítulo 3
46
3.3.6. HUMEDAD AMBIENTE
La humedad ambiente relativa debe ser lo suficientemente baja para que no haya
condensación (neblina) en el aire, o vaho en el objeto a medir, en el filtro de protección o
incluso en el objetivo de la cámara. Si éste se ha empañado, parte de la radiación
infrarroja que llega a la cámara se pierde porque no puede penetrar a través del agua
presente en la lente. Una niebla espesa también afecta a la medición porque el rocío
presente en el canal de transmisión bloquea parte de la radiación infrarroja [12].
3.3.7. CORRIENTES DE AIRE
Cualquier flujo o corriente de aire en una sala afecta a la medición de temperatura con la
cámara termográfica. Como resultado del intercambio de calor (convección), el aire
cercano a la superficie tiene la misma temperatura que el objeto medido. Si hay corrientes
de aire, esta capa desaparece sustituida por otra cuya temperatura todavía no se ha
adaptado a la del objeto.
Por medio de la convección, el objeto medido desprende o absorbe calor hasta que la
temperatura de su superficie y la del aire se han igualado. El efecto del intercambio de
calor se incrementa cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre la superficie del
objeto a medir y la temperatura ambiente [12].
3.3.8. TÉCNICA POR INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA
Esta técnica sirve para detectar fallas y defectos que pudieran o se presentan en los
equipos, ésta inspección es realizada con cámaras que permiten un análisis profundo por
medio de imágenes infrarrojas que son captadas por las temperaturas elevadas que
presentan los equipos [12].
3.3.9. APLICACIONES DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA
Las aplicaciones de la termografía infrarroja son muy extensas, pues se utilizan en
diferentes áreas, en ingeniería eléctrica esta técnica es utilizada en todos los equipos que
generen calor. Mediante la inspección termográfica se puede verificar el deterioro de
equipos como; transformadores, motores, interruptores, cajas de conexión, para cualquier
equipo en subestaciones, etc.
Capítulo 3
47
3.3.10. VENTAJAS DE LA TERMOGRAFÍA INFRARROJA
La falla puede encontrarse con facilidad sin que la persona que realiza la inspección tenga
contacto físico con el equipo fallado.
Se previenen fallas por medio de este tipo de técnicas, tomando medidas necesarias, con
esto se alarga el tiempo de vida de los equipos y se reducen gastos innecesarios en la
compra y reposición de equipos. En este proyecto se aborda la inspección y para poder
aplicarla se necesita saber cómo es que operan las cámaras termográficas.
3.3.11. FUNCIONAMIENTO DE LAS CÁMARAS TERMOGRÁFICAS EN
FORMA GENERAL
Las cámaras termográficas perciben la radiación que los cuerpos emanan, a su vez se
transforman en imágenes luminosas, estas radiaciones dependen directamente de la
temperatura. Las imágenes son visualizadas mediante una plantilla monocromática, tiene
un sensor que detecta la onda infrarroja en una cierta longitud.
Dependiendo de la cámara utilizada, los puntos calientes se presentan en las zonas que
llegan a los colores más claros o estrictamente al color blanco, en cambio los puntos fríos
se presentan en las zonas más obscuras o estrictamente en las de color negro, sin
embargo, estos colores no representan el nivel de radiación. Dentro de las cámaras
termográficas existen; de onda larga, onda corta, detectores infrarrojos y matriciales [12].
3.4. SIMULACIÓN DEL DESEMPEÑO DE LOS RECUBRIMIENTOS
Previo a las mediciones de temperatura en los recubrimientos semiconductores se
llevaron a cabo simulaciones de campo eléctrico en la superficie de la bobina, en la zona
del recubrimiento semiconductor. Con estas simulaciones se busca identificar como se
distribuye tanto el campo eléctrico como el calor generado en condiciones ideales y
entonces compararlo con las mediciones de temperatura que se realizan con la cámara
infrarroja.
Capítulo 3
48
Para realizar las simulaciones se utilizó el programa COMSOL; que es un paquete basado
en el método del elemento finito. Conociendo la distribución del potencial, otros
parámetros como intensidad de campo eléctrico o calor generado pueden ser conocidos.
Para poder realizar la simulación, primero se diseño un modelo en dos dimensiones de un
corte axial de la geometría de la bobina a la salida de la ranura. La zona bajo análisis se
muestra en la figura 3.2, en este caso los elementos que se consideraron fueron;
1. Material Conductor de la Bobina de 13.8 kV
2. Placa del estator
3. Capa conductora
4. Recubrimiento Semiconductor
FIGURA 3.2 Modelado de la simulación, indicada con medidas aleatorias.
Con la geometría de la figura anterior, el paso siguiente consiste en especificar la tensión
a la cual fue sometida la bobina durante la prueba experimental, que en este caso la
tensión fue de 20 kVrms.
Para la cinta semiconductora se consideró un valor típico de conductividad de entre 1X10-
6 ó 1X10-7 S/m, mientras que para la conductividad del aire fue tomada como 1X10-12 S/m.
Para el material aislante de la bobina se consideró un valor de conductividad del mismo
orden que la del aire y una permitividad relativa de 4. Para el aire se tomó una
permitividad relativa de 1, y para el recubrimiento semiconductor de 5.
Capítulo 3
49
En el primer caso simulado fue considerando el recubrimiento conductor, y sin el
recubrimiento semiconductor. Lo anterior fue modelado solo para ser tomado como
referencia y compararlo con el caso en el cual se aplica el recubrimiento semiconductor.
En la figura 3.3 se muestra la trayectoria y el comportamiento de las líneas
equipotenciales al final de la cinta conductora, en la zona donde no existe pintura
conductora, se tienen líneas equipotenciales que se concentran con poco espacio entre
ellas, lo que indica un gradiente de potencial alto. Este alto campo eléctrico da lugar a la
presencia de descargas superficiales ocasionando el deterioro de los recubrimientos y
aislamientos de la bobina.
FIGURA 3.3 Simulación de distribución de líneas equipotenciales en una bobina sin cinta
semiconductora.
Capítulo 3
50
En la figura 3.4 se muestra la distribución de las líneas equipotenciales considerando
ambos recubrimientos y asignando un valor de conductividad o aproximado de la cinta
semiconductora. En este caso, durante la transición gradual entre el recubrimiento
conductor y semiconductor las líneas equipotenciales tienden a tener espacios mayores
de separación, esto quiere decir que el gradiente de potencial eléctrico disminuye con la
cinta semiconductora en una proporción considerable, cumpliendo con su objetivo
primordial que es la atenuación de campo eléctrico. Con esta reducción en el campo
eléctrico en la superficie de la bobina se reduce la probabilidad de que aparezcan
descargas superficiales que pudieran acortar la vida útil de las bobinas y de la máquina en
general.
FIGURA 3.4 Distribución de líneas equipotenciales en bobina con cinta semiconductora
Otra manera de visualizar el efecto de la cinta semiconductora se muestra en la figura 3.5,
en la cual se gráfica la tensión a lo largo de la superficie de la bobina, con origen en
donde termina la cinta conductora (zona del empalme). La línea mostrada en color rojo
representa la tensión desde el final de la cinta conductora si no existiera la cinta
semiconductora, mientras que la línea en color azul muestra el crecimiento de la tensión a
lo largo de la superficie de la bobina desde el final de la cinta conductora pero ahora con
cinta semiconductora.
Capítulo 3
51
Cuando no se utiliza cinta semiconductora (línea roja), la tensión aumenta de manera
brusca en una distancia corta generando un alto campo eléctrico. Lo anterior resultará
muy probablemente en la aparición de descargas superficiales en la superficie de la
bobina al término de la cinta conductora. Cuando se aplica la cinta semiconductora (línea
azul), se aprecia que el potencial se va incrementando gradualmente desde cero en la
cinta conductora hasta el valor de la tensión aplicada. Se aprecia un sobretiro de la
tensión algo común en los recubrimientos semiconductores en bobinas. Este crecimiento
gradual reduce el campo eléctrico y por lo tanto la posibilidad de descargas superficiales.
FIGURA 3.5 Simulación del Comportamiento del potencial eléctrico a lo largo de la superficie de
la bobina sin cinta semiconductora (línea en rojo) y con cinta semiconductora (línea en azul).
En los casos anteriores se muestra como el campo eléctrico es controlado por la cinta
semiconductora, pero como se mencionó anteriormente esto provoca la generación de
calor por efecto joule en la cinta. Para poder verificar la distribución de este calor
generado en la cinta semiconductora de la bobina es necesario considerar los bordes de
la bobina ya que es aquí donde el campo eléctrico puede ser mayor y por lo tanto con
mayor temperatura.Por lo anterior se requiere de simulaciones en tres dimensiones.
Debido a la simetría únicamente se consideró una cuarta parte de la bobina para este
estudio como se muestra en la figura 3.6. El grosor de la cinta semiconductora fue
considerada de 0.3 mm mientras que el grosor de aislamiento a tierra fue de 3 mm.
Capítulo 3
52
FIGURA 3.6 Simulación de la bobina mostrando la zona de estudio.
En la figura 3.7 se muestra un corte transversal de la geometría en tres dimensiones
utilizada para la simulación. El área de inspección en este caso será el recubrimiento
semiconductor (2) pues la mayor concentración de calor se presenta en esta zona,
principalmente en la cara lateral y superior de la bobina.
FIGURA 3.7 Geometría utilizada para la simulación de una bobina en dos dimensiones, (1) Aire, (2)
Recubrimiento semiconductor, (3) Aislante, (4) Conductor de la bobina.
Capítulo 3
53
Los resultados del calor generado en el recubrimiento semiconductor se muestran en la
figura 3.8, en ésta se observa el calentamiento resistivo que se presenta en la capa
semiconductora (área en color rojo), con un poco más de intensidad en la zona central y
en la esquina de la bobina.
FIGURA 3.8 Imagen en 3D del calor generado en el recubrimiento semiconductor.
Los resultados arrojados con esta simulación dan un indicio de que muy probablemente
las zonas de mayor temperatura se presentarán en las esquinas de las bobinas y en el
centro de las caras laterales. Esto se compara con los resultados arrojados por las
imágenes termográficas en el siguiente capítulo.
Capítulo 4
54
CAPÍTULO 4 INSPECCIÓN DE RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS POR MEDIO DE TERMOGRAFÍA INFRARROJA.
4.1 INTRODUCCIÓN
En este capítulo se describe el funcionamiento de la cámara termográfica Flir SC 660 y el
programa Thermacam Resercher, también se presentan el desarrollo y los resultados
obtenidos durante las pruebas en los recubrimientos semiconductores de bobinas de
media tensión.
Para el análisis se tomaron en cuenta tres imágenes, una imagen real de la bobina, otra
termográfica y una imagen que se tomó calcando el recubrimiento semiconductor con
hojas blancas y lápiz para poder compararlas con las otras dos y tener una mejor
referencia de la localización de los puntos calientes en los recubrimientos. Estas
imágenes se realizaron en los cuatro lados de la bobina.
4.2 CÁMARA TERMOGRÁFICA Y EL PROGRAMA THERMACAM
RESEARCHER®
El sistema de medición de temperatura utilizado en este trabajo consiste en un cámara
infrarroja modelo FLIR-SC660 que tiene un espectro de emisividad entre 7.5 y 13 μm y
que despliega la imagen de temperatura en una matriz de 640 x 480 píxeles. La
sensibilidad del detector es <30 mK a una temperatura de 30 ° C y con una exactitud de ±
1 ° C ó ± 1% de la lectura. La emisividad utilizada para recubrimientos semiconductores
SG fue de 0,92.
El software de adquisición, ThermaCAM Researcher ™, permite a los distintos tipos de
post-procesamiento de la distribución de la temperatura en la imagen infrarroja.
Thermacam es un programa totalmente dirigido al estudio de la termografía infrarroja, ya
que facilita el análisis de objetos, aparatos, equipos, etc., en forma de imagen o
videograbación, a su vez éstas permiten mostrar el comportamiento del calor mediante
gráficas, dependiendo de la información que se requiera, aunque la más común, es la
gráfica de tiempo contra temperatura. Los datos de la versión utilizada se muestran en la
figura 4.1.
La creación de puntos, cuadros, líneas y polígonos creados a la forma requerida por el
usuario, ayudan al fácil manejo en conjunto con la paleta de temperatura ubicada del lado
derecho de la imagen o videograbación que contiene una escala de temperatura para la
comparación del color de la imagen, tomando como referencia los colores y determinar la
temperatura del objeto a medir.
Capítulo 4
55
Esta paleta de temperatura tiene la facilidad de cambiar la tonalidad y colores para que
ayude al usuario a tener un mayor contraste de temperatura y hacer el análisis de forma
más fácil.
Además de conectar cualquier cámara termográfica de la marca Flyr System para su
análisis en tiempo real, este programa ofrece la versatilidad de hacer videograbaciones de
sesiones que pueden ser usadas para el análisis en diferentes ocasiones, sin necesidad
de energizar la prueba realizada o la situación a analizar, todo esto dependiendo de qué
cámara se esté utilizando.
Parte fundamental de éste y cualquier programa son las opciones, en este caso son muy
importantes, ya que para obtener una buena medición y por ende poder realizar un buen
análisis es necesario tener en cuenta condiciones ambientales, distancias, condiciones de
el material sometido a la medición.
Dentro de estas condiciones se encuentra la emisividad, este parámetro es sumamente
importante ya que es la capacidad del material de emitir las radiaciones infrarrojas, vitales
para la medición de la temperatura. La transmisión que como su nombre lo dice es la
transmisión de las ondas de radiación infrarrojas que produce el tipo de material,
temperatura ambiente a la que se realiza la medición, la distancia a la que es colocada la
cámara termográfica, y las condiciones de humedad ambiental en el momento de la
realización de la prueba
FIGURA 4.1. Imagen de presentación para el programa Thermacam Researcher para análisis termográfico.
En este programa se pueden cargar archivos realizados con la cámara infrarroja, ya sea
en forma de fotografías o videograbación, para posteriormente crear gráficas de zonas
específicas o en función del tiempo de duración de la prueba realizada, como fue utilizado
en esta tesis.
Capítulo 4
56
4.3 DESARROLLO DEL ANÁLISIS EXPERIMENTAL
4.3.1. TENSIÓN APLICADA Y EQUIPOS UTILIZADOS
La tensión para pruebas de envejecimiento acelerado en bobinas se determina en base a
la tensión nominal a la cual trabajará la bobina, esta tensión nominal es multiplicada por
3.75 o 4 veces [4]. Sin embargo, en esta tesis, la tensión de prueba fue elegida tomando
en cuenta que las bobinas que se analizaron pueden ser usadas para otros estudios, por
lo tanto la tensión a la cual fueron expuestas es menor que la tensión recomendada para
pruebas de aguante (20 kV como máximo). Las bobinas fueron energizadas de la manera
siguiente:
1. Se pone en corto las puntas de la bobina y se conectan al transformador de alta tensión (TR-250 a 50kV).
2. Se colocan anillos equipotenciales en las puntas de las bobinas para evitar la descarga corona por el efecto punta que se presenta al energizar.
3. Para simular la ranura del estator se colocan 2 placas metálicas en los costados de las bobinas soportadas por prensas troqueladas.
Las dimensiones de la bobina conformada de 13.8 kV se muestran en la Figura 4.2,
mientras que en la Figura 4.3 se presenta el transformador de elevador utilizado para
energizar la bobina junto con los datos de placa.
FIGURA 4.2 Dimensiones de la bobina a analizar. [11]
Capítulo 4
57
FIGURA 4.3 Transformador de alta tensión y datos de placa.
La tensión del lado de alta es controlada por medio de un variador de tensión, figura 4.4,
conectado en el lado de baja tensión. En todas las pruebas la tensión se fue
incrementando gradualmente desde cero hasta la tensión de prueba.
FIGURA 4.4 Variador de tensión.
Cada bobina está diseñada para trabajar a una tensión nominal de 13.8 kV, pero cabe
mencionar que una vez instaladas en el estator de la máquina, éstas se conectan en
grupos en serie y cada sección a una fase diferente. Lo anterior implica que solo la
primera bobina (uno de sus extremos) es la que está energizada ala potencia nominal.
Sin embargo todas las bobinas se prueban a la misma tensión pues cualquiera de ellas
puede ser la primera del grupo ya instalada en el estator.
Capítulo 4
58
La tensión nominal de fase a tierra de las bobinas en su valor eficaz está dada por:
√ EC. 4.1
Con 13.8 kV de tensión de línea para este caso, por lo que:
√
La relación de transformación para el TR de alta tensión fue determinada mediante
mediciones de potencial en ambos lados. Para el lado de alta tensión se utilizó una punta
atenuadora de alta tensión obteniendo una relación de transformación promedio de
;
La tabla 4.1 muestra los valores de tensión utilizados durante el desarrollo de las pruebas
para determinar la relación de transformación.
Tabla 4.1. Valores Nominales del Transformador a los cuales puede realizarse el análisis
Valores en alta tensión (kV) Lado primario (V)
8 33.32
10 41.26
12.5 52.05
20 83.33
4.3.2 PREPARACIÓN DE LAS BOBINAS INSPECCIONADAS.
La sección de cinta semiconductora en las bobinas probadas viene cubierta con una
cinta de algodón blanca que es utilizada como protección para evitar el daño en los
recubrimientos y la bobina en general. En este caso esta cinta se retira para realizar
un mejor análisis de las cintas semiconductoras, quedando la bobina con la cinta
semiconductora expuesta como se muestra en la Figura 4.5.
Capítulo 4
59
FIGURA 4.5 Muestra de la bobina antes de la inspección, el circulo rojo marca el área del empalme con la cinta conductora (Bobina 1 Lado 4).
4.3.3. PROCESO PARA LA INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA.
El procedimiento seguido para el análisis de cada recubrimiento consistió en los
siguientes pasos:
1. Se tomó una imagen digital de la zona del recubrimiento semiconductor, como la que se muestra en la figura 4.5.
2. Se captaron las imágenes termográficas en forma de película desde el inicio de la energización hasta alcanzar la tensión máxima, la cual se mantuvo por unos cuantos minutos, la figura 4.6 muestra una toma infrarroja a tensión máxima.
Figura 4.6 En la imagen termográfica se muestra el àrea de inspección encerrada en un circulo
rojo (Bobina 1 Lado 4) .
Capítulo 4
60
Figura 4.7 Imagen calca del empalme (cinta semiconductora y conductora de la Bobina 1 Lado 4)
3. Se colocó una hoja de papel sobre las bobinas exactamente en el área donde se
encuentra el empalme, y suavemente se colorea con lápiz para no causar daños en el
mismo, con lo cual se obtiene el patrón del encintado como se muestra en la Figura 4.7.
4. Se realizó una comparación de las tres imágenes, la digital, la infrarroja y la que se
tomó en calca, buscando correlacionar la localización de los puntos calientes con la
distribución del encintado.
A continuación se muestran los resultados de la inspección a 16 extremos con
recubrimiento semiconductor.
Capítulo 4
61
4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES
En esta sección se muestran los resultados obtenidos, haciendo la comparación de las
tres imágenes; la termográfica, la fotografía óptica digital y la imagen escaneada del
proceso de calcar la cinta semiconductora. Con todo esto se buscó encontrar algún indicio
que corresponda con la presencia de calor en la zona del empalme, que es donde la cinta
semiconductora y la pintura conductora convergen. Esta área es la primordial y medular
de la tesis pues es donde se realizó todo el trabajo y donde se originan descargas
parciales que llegan a perforar los sistemas de aislamiento.
Una distribución uniforme de la temperatura en el recubrimiento semiconductor sería lo
ideal, sin embargo, de acuerdo a las simulaciones, los puntos calientes pueden aparecer
en las esquinas por el efecto de borde. En esta sección se muestran los resultados
experimentales obtenidos del análisis de los cuatro lados de cada una de las bobinas,
teniendo un total de dieciséis lados.
En las siguientes figuras, para cada uno de los recubrimientos, se muestra la imagen
termográfica, la imagen digital y la imagen calcada. Las imágenes en calca dan una
buena referencia de la disposición del encintado para poder así relacionarla con las zonas
de mayor temperatura observadas con la toma infrarroja. Durante el proceso se observó
que en la parte media y los extremos de la bobina existe elevada temperatura. En la
imagen en calca se muestran con una línea roja el inicio de la cinta semiconductora y con
una línea verde el fin de la cinta conductora, es decir, el área entre estas dos líneas es el
área de empalme. En todas las imágenes infrarrojas se observó que la disipación de calor
se presenta después de la línea verde, es decir, al terminar el empalme y sobre la cinta
semiconductora. Para cada uno de los recubrimientos se comparan y analizan las
imágenes.
Capítulo 4
62
Figura 4.8 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 1 lado 1
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATUR:
MÁXIMA (°C) 36.7
MÍNIMA(°C) 22.8
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Las zonas propensas a sufrir daños se observan en la parte media y baja de este lado de la bobina, apreciadas en un color blanco en la imagen C, y localizadas a la izquierda de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
63
Figura 4.9 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 1 lado2
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MAXIMA (°C) 36.9
MINIMA(°C) 22.8
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Las zonas propensas a sufrir daños son la parte media, superior e inferior de la bobina, como se muestra en la imagen C en color blanco, y localizadas a la derecha de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora. .
IMAGEN C)
Capítulo 4
64
Figura 4.10 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 1 lado 3
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 32.2
MINIMA(°C) 23.2
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
La mayor concentración de calor en este caso es mostrada en la parte media, sin embargo, la superior, también puede verse afectada, la zona inferior muestra poco calentamiento. Las zonas de mayor calor están localizadas a la derecha de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
65
Figura 4.1 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 1 lado4
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 31.7
MINIMA(°C) 23.2
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS: En este caso se observa nuevamente que la zona que es menos propensa a sufrir calentamiento y daño es la esquina y al centro, y localizadas a la izquierda de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
66
Figura 4. 12 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 2 lado1
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 37.2
MINIMA(°C) 23.5
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS: En la imagen C se observan cuatro puntos de falla uno en la parte superior, dos en la media y uno en la inferior, y localizadas a la izquierda de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
67
Figura 4.13 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 2 lado2
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 34.3
MINIMA(°C) 24.5
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
El mayor calentamiento y por ende la zona de mayor falla es la parte inferior de la bobina y al centro. Localizadas a la derecha de la línea verde en la imagen B. Esto indica que los puntos calientes se encuentran después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
68
Figura 4.14 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 2 lado 3
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 38.2
MINIMA(°C) 24.-3
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
69
Figura 4.15 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 2 lado 4
DESCRIPCION DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 38.2
MINIMA(°C) 24.3
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
70
Figura 4.16 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 3 lado 1
DESCRIPCION DE IMAGEN: E) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
F) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
G) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MAXIMA (°C) 34.3
MINIMA(°C) 24.5
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
71
Figura 4.17 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 3 lado 2
DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 35.4
MINIMA(°C) 24.1
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS: Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
72
Figura 4.18 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina3 lado 3
DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 24.9
MINIMA(°C) 47.2
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
73
Figura 4.19 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 3 lado 4
DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: E) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
F) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
G) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 40.4
MINIMA(°C) 26.0
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, nuevamente los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
74
Figura 4.20 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 4 lado 1
DESCRIPCIOÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DEL EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 37.8
MINIMA(°C) 23.1
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C,
nuevamente los puntos de mayor temperatura
están localizados después del empalme sobre la
cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
75
Figura 4.21 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 4 lado 2
DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DE EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 47.5
MINIMA(°C) 23.3
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
76
Figura 4.22 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 4 lado 3
DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DE EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 30.7
MINIMA(°C) 23.7
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
77
Figura 4.23 Resultado de la inspección termográfica de las imágenes de la bobina 4 lado 4
DESCRIPCIÓN DE IMAGEN: A) ENCINTADO SEMICONDUCTOR
DE BOBINA
B) CALCA DE LA ZONA DE EMPALME
C) TERMOGRAFÍA DE LA ZONA DE EMPALME
IMAGEN A)
MEDICIÓN DE TEMPERATURA:
MAXIMA (°C) 35.1
MINIMA(°C) 23.8
Inicio de la cinta semiconductora
Fin de la cinta conductora
IMAGEN B)
COMENTARIOS:
Como puede apreciarse en las imágenes B y C, los puntos de mayor temperatura están localizados después del empalme sobre la cinta semiconductora.
IMAGEN C)
Capítulo 4
78
4.5.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS EXPERIMENTALES.
En relación a los resultados de las pruebas que se realizaron se observó que regularmente las áreas donde se presenta calentamiento, son en el área donde termina el recubrimiento conductor e inicia el semiconductor (empalme), o bien después de la capa semiconductora. Mediante las imágenes en forma de calca se verificó si las zonas de alto calor tenían relación con la disposición del encintado, lo cual no fue concluyente ya que no se observó algo que indicara que la posición de la cinta tuviera que ver con los puntos calientes. Uno de los resultados más interesantes es el que los puntos calientes que se presentaron en la mayoría de las bobinas pueden aparecer en lugares distintos a las esquinas de la bobina. Como se mostró en las simulaciones, las esquinas de la bobina pueden dar origen a mayor campo eléctrico y por lo tanto a mayor calor en la cinta semiconductora en estos puntos, pero los puntos calientes en los costados se considera no deberían de aparecer. Todas las bobinas se inspeccionaron para verificar si los puntos calientes tenían como origen imperfecciones en la zona del empalme, pero en ninguna de ellas se observó algún defecto que pueda ocasionarlos. Lo anterior sugiere que la causa pudiera relacionarse con la disposición interna de los conductores en la bobina o con cavidades entre conductor y aislamiento..
Capítulo 5
79
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y PROPUESTAS DE SOLUCIÓN
5.1 INTRODUCCIÓN.
En este capítulo se analizan los resultados de las pruebas de termografía. En primer
lugar se discute sobre la distribución de calor que se observa en la mayoría de los casos y
si esta coincide con lo obtenido en la simulaciones. Se analiza si es posible determinar
algún patrón en los puntos de mayor temperatura en base a como está aplicada la cinta
semiconductora.
Por otra parte con la experiencia obtenida durante las pruebas, se hacen
recomendaciones para trabajos futuros.
5.2 CONCLUSIONES
Para realizar el análisis de la inspección termográfica fue necesario realizar una
simulación del calor generado en el recubrimiento semiconductor. Esta simulación fue
hecha en un paquete comercial basado en el método del elemento finito. De los
resultados obtenidos en la simulación se puede establecer lo siguiente:
Se genera calor en el recubrimiento semiconductor como consecuencia de la atenuación del campo eléctrico. Esto es básicamente por efecto Joule en el material. En condiciones normales de operación, una elevación de no más de unos cuantos grados centígrados puede considerarse normal y no debe de representar problema.
Considerando en la simulación una bobina con grosor del aislamiento a tierra uniforme, se muestra que el calor generado en las esquinas y al centro de las caras laterales de la bobina es mayor. En el caso de las esquinas, esto se atribuye al efecto de borde que en esa zona pudiera producir un campo eléctrico mayor y por lo tanto el recubrimiento semiconductor conduce una mayor corriente. En el caso de la zona de mayor calor en el costado de la bobina se observa que está casi uniformemente distribuida alrededor del centro del costado. Estos patrones de distribución de temperatura puede tomarse como referencia en las pruebas experimentales para identificar desviaciones que pudieran indicar problemas en el recubrimiento.
En las simulaciones se consideró un recubrimiento semiconductor con un grosor uniforme, algo que puede no ser real ya que como se muestra en las imágenes en calca del encintado, existen en algunos casos un traslape que no es exactamente del 50 % del ancho de la cinta.
Capítulo 5
80
Durante las pruebas experimentales se observó que los puntos calientes se presentan en
las esquinas de las bobinas, coincidiendo con la simulación. Sin embargo se observaron
puntos de alta temperatura en la zona lateral de la bobina, algo que no se esperaba de
acuerdo a las simulaciones. Inicialmente estos puntos de alta temperatura se
consideraron debidos a imperfecciones en la aplicación de la cinta o a daños en la
superficie de esta. Sin embargo, tras una inspección ocular y verificar la disposición de la
cinta (de la imagen en calca) no se pudo verificar que alguna de estas sean la razón de
los puntos de alta temperatura.
Se considera que los puntos de alta temperatura son indicio de que la cinta
semiconductora no tiene un valor de conductividad adecuado por lo que se podría pensar
en dos posibles formas de corregir este problema:
1.- Utilizar una cinta con conductividad mayor. En el mercado existen cintas con
diferentes grados de conductividad, por lo que se podría tratar con una de mayor
conductividad.
2.- Aplicar una segunda capa de cinta en la primera mitad del recubrimiento. Cabe
recalcar que todas las bobinas que fueron utilizadas en este trabajo solo cuentan con una
capa de cinta semiconductora, al aplicar dos capas se podría mejorar el control del campo
eléctrico en esta zona.
Una de las principales aportaciones de este trabajo fue demostrar como los perfiles de
temperatura pueden utilizarse para identificar potenciales problemas en los recubrimientos
semiconductores.
5.3 RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS
En base a lo observado durante el desarrollo de este trabajo se recomiendan dos posibles
líneas para trabajo futuro:
1.- Modelar el interior de la bobina (la forma de las espiras) para ver si existe alguna
relación con los puntos de alta temperatura en los costados de la bobina.
2.- Correlacionar la aparición de los puntos de alta temperatura con el inicio de descargas
parciales en la bobina.
Capítulo 6
81
CAPÍTULO 6 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA.
La parte económica en toda la industria y el entorno laboral juega un papel importante
puesto que de esto depende el funcionamiento y eficiencia de la misma. En cada trabajo
por realizar es importante tomar en cuenta, el costo de reparación o sustitución del (los)
equipo(s) o bien del (los) servició(s), el tiempo en el cual se debe efectuar considerando
las pérdidas y/o ganancias que esto pudiera generar, y finalmente se deberá considerar la
eficiencia con la cual se operará antes y después del (los) trabajo(s) o servicio(s).
Como bien se ha mencionado en los capítulos anteriores la inspección termográfica es un
medio muy eficiente para la determinación de fallas en los sistemas de aislamiento y una
forma de prevención que permite controlar y detectar a tiempo cualquier anomalía sin
generar gastos excesivos e innecesarios.
Es bien sabido que las máquinas eléctricas mientras más dimensión tengan, su costo será
mayor y por ende su reparación será costosa y en casos extremos, el paro de las mismas
o ineficiencia representarán pérdidas elevadas. Una de las ventajas de la inspección
termográfica es que el estudio se puede llevar a cabo en cualquier momento y sin la
necesidad de un paro del sistema o maquinaria, y sobre todo es menos costoso que la
reparación o sustitución de los elementos dañados.
En este caso para poder justificar lo antes mencionado se realizó una cotización sobre
Inspección termográfica a recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión,
mostrando así que ésta representa un gasto considerable como forma de prevención, sin
embargo, si tan solo se tuviera que sustituir una sola bobina, el costo de ésta sería de
siete a ocho veces mayor sin considerar aún el paro de la maquinaria para la sustitución.
Capítulo 6
82
TABLA 6.1 Cotización del análisis por medio de termografía
COTIZACIÓN AT’N: A QUIEN CORRESPONDA
En base al estudio realizado, se presenta el siguiente presupuesto referente a:
INSPECCIÓN TERMOGRÁFICA A RECUBRIMIENTOS SEMICONDUCTORES DE BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN
PART CANT UNID D E S C R I P C I O N P.U. TOTAL
1
1
Serv.
Inspección termografíca a recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión
Incluye:
- Una hora de Inspección termografíca a recubrimientos semiconductores de bobinas de media tensión
- Mano de obra para
realizar el servicio
$3,625.00 $3,625.00
PRECIO TOTAL: $3,625.00
MÁS EL 16 % DE IVA
NOTAS
Anticipo del 60% y saldo contra entrega
Tiempo de Entrega: Servicio 1 Jornada laboral, Reporte Fotográfico: 1 semana
A T E N T A M E N T E
Carlos Alberto Pérez Lara Maribel Zamora Serrano
83
Referencias
[1] Manes Fernández Cabanas, Manuel García Melero, Gonzalo Alonso Orcajo, José
Manuel Cano Rodríguez, Juan Solares Sariego, “Técnicas Para El Mantenimiento y
Diagnostico de Máquinas Eléctricas Rotativas”, Barcelona, MACOMBO, 2000, pag de
consulta 594.
[2] Jiménez Moreno Graciano, Contribución Al Estudio Del Calentamiento De Las Máquinas Eléctricas Rotativas Mediante El Método De Los elementos Finitos: Explicación de la Máquina de Inducción, Universidad de Castilla – La Mancha, 1995.
[3] Jorge Guillermo Ruano, Guía Práctica de Termografía para el Curso de Montaje de Equipo, Tesis de Licenciatura Universidad de San Carolos de Guatemala. Enero de 2005. [4] G. C. Stone, I.M. Culbert, B. A. Lloyd,Electrical “insulation for Rotating Machines-Desing, Evaluation, Aging, Testing and Repair, Wiley” – IEEE Press, 2004.
[5] F. P. Espino-Cortés, E. A. Cherney, S. Jayaram, “Impact of Inverter Drives
Employing Fast-Switching Devices on Form-Wound AC Machine Stator Coil Stress
Grading”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Vol. 23, Num. 1, pp.29-35, 2007.
[6] F. TIM EMERY, “The Application of Conductive and Stress Grading Tapes to
Vacuum Pressure Impregnated, High Voltage Stator Coils”, IEEE Electrical Insulation
Magazine, Vol. 12, Num. 4, pag. 15-22, Julio-Agosto 1996.
[7] N. Frost, Conley, D.J, “Fundamentals of Semi-Conductive Systems for High
Voltage Stress Grading”, Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing
Expo, pag. 89-92, Oct. 2005.
[8] J A Allison, Von Roll Isola, “Understanding the need for Anti-corona materials in
High Voltage Rotating Machines”, Proceedings of The 6th lntemational Conference on
Properties and Applications of Dielectric Materials, Xi'an China, vol.2, pag. 860 – 863,
Junio 2000.
[9] G. C. Stone, E. A. Boulter, Ian Culbert, Hussein Dhirani, “Electrical Insulation for
Rotating Machines”, IEEE Electrical Insulation Magazine, Power Engineering, Vol. 20,
Num. 3, Junio 2004.
[10] Juan Carlos Ortiz Ramírez, “Pruebas eléctricas para el diagnostico del sistema de
aislamiento a tierra a bobinas de motores de media tensión”, [Tesis] México D.F. 2009.
[11] Henry Gómez, “Termografía Guía de Bolsillo, teoría, aplicación práctica, consejos y trucos”, Testo AG, Septiembre 2008.
[12] IEC Publication 85, “Recommendations for classification of materials for the insulation of electrical machinery and apparatus in relation to their thermal stability in service”, 1957.
[13] Carlos Pórtela, “Sobretensiones y coordinación del aislamiento”,Vol 1, Brasil, Reverté, 1983.
ANEXO A
84
I. ANEXO A: Inspecciones realizadas en un tiempo de 3 minutos
La gráfica de temperatura durante toda la prueba, nos muestra el tiempo en que la bobina
adquiere una estabilidad en su temperatura, aunque la forma de aumentar la tensión en la
bobina fue por medio de un reóstato, en forma gradual y no fue mayor a 30 segundos el
tiempo en el que se elevó la tensión hasta el nivel de prueba. A continuación de la Figura
A.1 a la Figura A.16 se muestran las gráficas del comportamiento de la temperatura
durante la inspección termográfica realizada en un tiempo de 3 minutos.
Figura A.1 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica realizada en un tiempo de 3 minutos, bobina 1 lado 1.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
85
Figura A.2 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 1 lado 2.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
86
Figura A.3 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 1 lado 3.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
87
Figura A.4 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 1 lado 4.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
88
Figura A.5 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 2 lado 1.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
89
Figura A.6 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 2 lado 2.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
90
Figura A.7 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 2 lado 3.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
91
Figura A.8 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 2 lado 4.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
92
Figura A.9 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 3 lado 1.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
93
Figura A.10 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 3 lado 2.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
94
Figura A.11 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 3 lado 3.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
95
Figura A.12 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 3 lado 4.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
96
Figura A.13 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 4 lado 1.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
97
Figura A.14 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 4 lado 2.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
98
Figura A.15 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 4 lado 3.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO A
99
Figura A.16 Gráficas del comportamiento de la temperatura durante la inspección termográfica
realizada en un tiempo de 3 minutos bobina 4 lado 4.
VALOR MÁXIMO
VALOR MÁXIMO
VALOR MÍNIMO
VALOR MÍNIMO
ANEXO B
100
II. ANEXO B: Funcionamiento de Researcher® Para iniciar la configuración del programa primero se tiene que conectar la cámara a la computadora por medio del cable firewire el cual es el que transmite la información. Teniendo instalado el programa ThermaCam Researcher que solo es compatible para el sistema operativo Windows, desde XP hasta Windows 7. Se inicia y de manera automática pide que el usuario elija el tipo de cámara que utilizará, desplegando una lista de cámaras que maneja la marca de Flyr System. Ver figura B.1
Figura B.1 Presentación ThermaCam Researcher.®
Una vez que se eligió la cámara a utilizar, se inicia su configuración dependiendo de la opción en la que se va utiliza, es decir para filmar un video o para la simple captura de imágenes. En cualquiera de las opciones lo fundamental es configurar la emisividad, distancia, temperatura ambiente. Esto se muestra en las imágenes de la figura B.2
Figura B.2 Ventanas de propiedades 1.
Estos aspectos son fundamentales para que se pueda hacer una medición correcta,
esto ya fue explicado en el capítulo tres para una mejor comprensión. Así como el uso del Sistema Internacional de Medidas, pudiendo usar diferentes medidas para facilitar el uso de cada persona o país en el que se use. Ver figura B.3
ANEXO B
101
Figura B.3 Ventanas de Propiedades 2
Otra opción indispensable es el zoom ya que es aquí donde se modifica los acercamientos hacia la parte que se va a analizar pudiendo identificar las zonas donde existe mayor presencia de calor, esta opción permite modificar el acercamiento de forma gradual o de la forma más conveniente para el usuario. Una vez modificada la configuración se da inicio en la pantalla donde se puede abrir la imagen o la videograbación que ya fue guardada, como se muestra en la siguiente imagen. Ver figura B.4
Figura B.4 Pestaña para abrir archivos. Cuando se inicia la opción de abrir imagen se abre un cuadro de diálogo que de forma automática indica la dirección de la carpeta en donde se guardaron las imágenes, una vez detectado esto, el usuario puede elegir la o las imágenes que desea abrir, de esta forma el programa agrupa de forma automática la captura de cada imagen que se tomó o en este caso se agrupan las videograbaciones. Ver figura B.5
ANEXO B
102
Figura B.5 Ubicación de Archivos dentro de la computadora.
Ya teniendo abierto el archivo donde se va a trabajar, ahora se procede a la elaboración del análisis con el programa. Del lado izquierdo de la pantalla hay una barra de iconos que permiten crear formas, formulas, puntos y un puntero con el cual se facilita al usuario la determinación de la temperatura exacta en algún punto de la imagen. Estos iconos son indispensables, ya que gracias a las figuras formadas por los puntos dentro de las imágenes infrarrojas, es posible generar gráficas de temperatura necesarias para la realización de un análisis más precioso. Ver figura B.6.
Figura B.6 Pestaña para realizar análisis
ANEXO B
103
Una vez que se realizó el análisis y se quiere presentar la imagen infrarroja generada por el programa Thermacam Researcher, es necesario guardar la imagen para poder ser utilizada en algún otro momento. Esto se logra seleccionando en el icono de Imagen que se encuentra en la parte superior de la ventana del programa, una vez hecho esto se busca la opción;”save” con la cual el programa salvará la imagen. Ver figura B.7
Figura B.7 Cuadro para guardar el análisis,
Una vez hecho lo anterior el programa desplegará una nueva ventana, la cual nos indicará la ruta donde el archivo generado por el programa será guardado. Es importante saber que en la parte inferior de la ventana hay la opción de elegir el formato en el cual la imagen será generada, si se elige la opción que se señala en la imagen de abajo, el archivo tendrá una paleta de colores así como la escala de temperaturas en el lado derecho de la imagen, ver figura B.8
Figura B.8 Vista final del análisis.
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