diagnÓstico en lÍnea mediante descargas

7/22/2019 DIAGNSTICO EN LNEA MEDIANTE DESCARGAS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

DIAGNSTICO EN LNEA MEDIANTE DESCARGASPARCIALES COMO TCNICA DE MANTENIMIENTO

PREDICTIVO DEL DEVANADO ESTATRICO DE LOS

ALTERNADORES DE ELECTROPERU S.A.

TESIS DE GRADO

PARA OPTAR EL TTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO MECNICO ELECTRICISTA

LUIS NGEL GERE RUPAY

PROMOCIN 2009 - II

Lima - Per

2012


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DEDICATORIA

A mi familia y amigos que son mi fuente

de inspiracin, por estar conmigo en

aquellos momentos en que el estudio y

el trabajo ocuparon mi tiempo y

esfuerzo.


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AGRADECIMIENTOS

Para poder realizar esta tesis de la mejor manera posible fue necesario del apoyo

de muchas personas a las cuales quiero agradecer.

En primer lugar a Dios por haberme dado la sabidura y la fortaleza para que fuera

posible alcanzar este triunfo, a mis padres y hermanos, que sin esperar nada a

cambio, han sido pilares en mi desarrollo profesional, a la empresa Electroperu

S.A., a sus colaboradores del complejo Hidroelctrico del Mantaro y en especial al

grupo de ingenieros y tcnicos del rea de Mantenimiento Elctrico por su

dedicacin y esfuerzo para el desarrollo del Pas, adems de apoyarme

incondicionalmente en mi formacin profesional y por permitirme ser parte de su

equipo de trabajo durante mi estada.


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TABLA DE CONTENIDOS

PRLOGO..................................................................................................................1

CAPTULO I: INTRODUCCIN................................................................................. 4

1.1 OBJETIVO... 5

1.2 ALCANCES..... 6

CAPTULO II: DEVANADOS DEL ESTATOR DE MOTORES YGENERADORES........................................................................................................ 7

2.1 DISEO DEL DEVANADO DEL ESTATOR.. 8

2.1.1 Estructuras de las Bobinas.. 9

2.1.2 Barra (semibobina)... 9

2.1.3 Barra multi-espira.... 10

2.1.4 Barra concntricas.. 11

2.2 TIPOS DE AISLAMIENTO.. 11

2.2.1 Aislamiento del Subconductor... 13

2.2.2 Aislamiento entre Vueltas.. 14

2.2.3 Aislamiento Principal...... 16

2.3 PROCESO DE FABRICACIN DE BOBINAS 20

2.3.1 Procesos de Impregnacin.... 20

2.3.2 Control de Tensin de Voltaje... 22

2.4 MECANISMOS DE FALLA (MF) 25

2.4.1 Deterioro Trmico... 26

2.4.2 Ciclaje de Carga.. 28

2.4.3 Impregnacin Defectuosa.. 29

2.4.4 Bobinados Flojos.... 30

2.4.5 Descarga Elctrica en la Ranura.. 31

2.4.6 Interface de Tensin de voltaje........ 32

2.4.7 Contaminacin de los cabezales.. 33


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2.4.8 Vibracin del Cabezal........ 34

2.4.9 Espaciado Inadecuado entre bobinas. 35

2.4.10 Calidad en la fabricacion original... 36

2.4.11 Fallas y fenmenos transitorios.. 36

CAPTULO III: TEORA BSICA DE DESCARGAS PARCIALES 37

3.1 DESCARGA PARCIAL COMO UN SNTOMA 37

3.2 CONCEPTO DE DESCARGA PARCIAL. 38

3.3 UNIDADES DE MEDIDA DE DESCARGA PARCIAL 383.3.1 Magnitud... 39

3.3.2 Pulsos por Segundo (PPS)....39

3.3.3 Polaridad ngulo Fase... 40

3.4 FORMACIN DE HUECOS 40

3.5 DESCARGAS ELCTRICAS. 41

3.5.1 Propiedades Fsicas de las Descargas Parciales.. 43

3.5.2 Dependencia del Voltaje.... 44

3.5.3 Forma del Pulso.. 45

3.5.4 Recorrido del Pulso.... 46

3.5.5 Polaridad del Pulso. 48

CAPTULO IV: DETECCIN DE DESCARGAS PARCIALES... 54

4.1 SENSORES DE DESCARGAS PARCIALES.. 55

4.1.1 Acopladores Capacitivos... 554.1.2 Acopladores de Ranura de Estator (SSC)...... 58

4.2 CAJA DE TERMINACIN.......... 60

4.3 SEPARACIN DEL RUIDO....... 62

4.3.1 Frecuencia... 62

4.3.2 Impedancia Desigual...... 64

4.3.3 Tiempo de Arribo de los Pulsos.... 65

4.3.4 Forma del Pulso.. 71


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4.4 PRESENTACIN DE DATOS....... 72

4.4.1 Anlisis de Magnitud de Pulsos (PHA)... 73

4.4.2 Resumen de Variables de Descargas Parciales.. 74

4.4.3 Datos en Archivo... 76

4.4.4 Esquemas de Resolucin de Fase. 77

4.5 INSTRUMENTOS IRIS........ 84

4.5.1 Portables (Porttiles).. 84

4.5.2 Guard (Proteccin).. 85

4.5.3 Instrumento Trac (Monitoreo Continuo)...... 86

4.5.4 Bantam (Porttiles). 87

4.6 PRUEBAS EN LNEA......... 87

4.6.1 Precauciones de Seguridad.. 88

4.6.2 Sistema de Pruebas....... 88

4.6.3 Procedimiento de Adquisicin de Medida... 92

4.6.4 Parmetros de Operacin de la Mquina... 99

CAPTULO V: INTERPRETACIN DE RESULTADOS DE DESCARGASPARCIALES... 101

5.1 MTODOS DE PRUEBAS DE DESCARGAS PARCIALES.. 101

5.1.1 Mtodo de Prueba TGA-SSC..102

5.1.2 Mtodo de Prueba TGA-BUS..103

5.1.3 Mtodo de Prueba PDA... 104

5.2 INTERPRETACIN 105

5.2.1 Anlisis de la Tendencia.. 105

5.2.2 Comparacin con Mquinas Similares.. 108

5.2.3 Caractersticas de Descargas Parciales... 110

5.2.4 Pulsos Clsicos de Descargas Parciales.. 113

5.2.5 Pulsos No Clsicos de Descargas Parciales...........123

5.2.6 Condiciones ambientales y de Operacin............. 129

5.2.7 Caractersticas de las Descargas Parciales de los Mecanismos de

Falla...... 130


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CAPTULO VI: ANLISIS DE DESCARGAS PARCIALES CENTRALES

HIDROELCTRICAS 140

6.1 GRUPO N7 CENTRAL HIDROELCTRICA SANTIAGO AN TNEZ DE

MAYOLO (C.H. SAM)...... 140

6.1.1 Diseo de Planta... 140

6.1.2 Estado Actual de las Descargas Parciales...... 141

6.1.3 Tendencias de Descargas Parciales..... 141

6.1.4 Interpretacin de Descargas Parciales..146

6.1.5 Aplicacin de Falla de Descarga Parcial...152

6.2 GRUPO N 1 CENTRAL HIDROELCTRICA RESTITUCIN (C.H.

RON)....... 171

6.2.1 Diseo de Planta...171

6.2.2 Estado Actual de las Descargas Parciales...171

6.2.3 Tendencias de Descargas Parciales.....172

6.2.4 Interpretacin de Descargas Parciales..176

6.2.5 Aplicacin de Falla de Descarga Parcial...182

CAPTULO VII: EVALUACIN TCNICO ECONMICA..... 195

7.1 GENERALIDADES. 195

7.2 PRIMER ANLISIS: ADQUISICIN DEL EQUIPO DE MONITOREO DE

DESCARGAS PARCIALES IRIS POWER PDA IV. 196

7.2.1 Costo por inversin inicial al comprar el equipo IRIS POWER PDA IV y

accesorios... 196

7.2.2 Costo de monitoreo de descargas parciales realizado por una empresa deservicios... 200

7.2.3 Retorno de inversin al adquirir el equipo IRIS POWER PDA IV y

accesorios..................................................................................................... 202

7.2.4 Financiamiento......203

7.2.5 Justificacin.......203

7.3 SEGUNDO ANLISIS: CORRECTO DIAGNSTICO DE LOS MONITOREOS

DE DESCARGAS PARCIALES CON EL EQUIPO IRIS POWER PDA IV.. 208


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v

7.3.1 Costo de Mantenimiento Programado. 208

7.3.2 Costo de Mantenimiento No Programado... 215

7.3.3 Comparacin de costos.. 224

CONCLUSIONES.. 230

RECOMENDACIONES.... 232

BIBLIOGRAFA. 234

ANEXOS. 235

ANEXO 1: PRESENCIA DE DP EN LA BARRA 13.8 kV DE SALIDA DEL GRUPO

N7 C.H. SAM....235

ANEXO 2: REAISLAMIENTO DE BARRAS 13.8 kV DE SALIDA DEL GRUPO N7

C.H. SAM.... 236

ANEXO 3: PRESENCIA DE DP EN CABEZALES Y DEVANADO ESTATRICO

DEL GRUPO N1 C.H.. RON.. 2 37

ANEXO 4: INSPECCIN Y LIMPIEZA DE DEVANADO ESTATRICO DEL

GRUPO N1 C.H. RON.... 23 8

ANEXO 5: TABLAS DE CRITERIOS DE EVALUACIN SEGN BASE DE DATOS

IRIS POWER...... 239


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PRLOGO

Tratar de evitar que los alternadores no fallen sustenta que el personal involucrado

conserve su empleo, siempre y cuando lo logre con xito. Todo lo que se debe

hacer es descubrir la manera de detectar que est ocurriendo una falla en el

mecanismo y cun importante o urgente es el problema. Las descargas parciales

(DP) son un sntoma de varios problemas causados por tensiones trmicas,

mecnicas (vibracin y choque), elctricos (voltaje), del medio ambiente y qumicas.

Muy rara vez ocurre un slo factor aislado, es decir que estas tensiones se

combinan para provocar diversos procesos de deterioro. Con el aumento en los

niveles de tensin, la tasa de envejecimiento aumenta. Monitorear las descargas

parciales puede ser una adicin til a los procedimientos de prueba e inspeccin de

cualquier empresa. Las descargas parciales no son solo un sntoma, sino que daa

las resinas orgnicas en los materiales aislantes. Afortunadamente, la mayora de

los sistemas de aislacin del devanado del estator para mquinas de ms de 2300

V contienen un material resistente a las descargas llamado mica, por lo tanto ladegradacin de la aislacin es usualmente lenta. A causa de este lento proceso de

envejecimiento tiene sentido realizar monitoreos peridicos de la actividad de

descargas parciales.

Los objetivos del presente trabajo es mostrar las pruebas de diagnstico de

descargas parciales en el devanado del estator utilizados en los alternadores de


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ELECTROPERU S.A., as como tambin los criterios que se tiene con estas

pruebas respecto a su efectividad, para indicar la condicin del aislamiento en lasmquinas generadoras.

La presente tesis consta de siete captulos que se detallan a continuacin:

En el Primer Captulo se detallan los alcances de la presente tesis y los objetivos

que me motivaron a realizar el presente trabajo.

En el Segundo Captulo se describen los devanados del estator de motores y

generadores, sus diseos, tipos de aislamiento, procesos de fabricacin de bobinas

y los mecanismos de falla que pueden ocurrir en el devanado del estator.

En el Tercer Captulo se describe la teora bsica de descargas parciales, sus

clasificaciones y propiedades.

En el Cuarto Captulo se describe como se realiza la deteccin de las descargas

parciales utilizando los instrumentos IRIS POWER y la forma de presentacin de los

datos adquiridos.

En el Quinto Captulo se describe como se interpreta los resultados de las

descargas parciales, para luego analizar las tendencias segn la interpretacin.

En el Sexto Captulo se realiza el anlisis de las descargas parciales de los

alternadores de ELECTROPERU S.A., mencionando al grupo N7 de la Central


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Hidroelctrica Santiago Antnez de Mayolo y al grupo N 1 de la Central

Hidroelctrica Restitucin como aplicaciones directas de las descargas parciales.

En el Sptimo Captulo se realiza la evaluacin tcnico econmico, analizando

primero la adquisicin del equipo de monitoreo de descargas parciales IRIS

POWER PDA IV, para despus mostrar los beneficios que se logran con un buen

diagnstico de los monitoreos de las descargas parciales; en ambos casos se

mostrarn los ahorros econmicos para la empresa.

Asimismo, se presentan las Conclusiones, Recomendaciones y la Bibliografa

utilizada para la elaboracin de la presente Tesis.


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CAPTULO I

INTRODUCCIN

En el Per existen generadores hidrulicos con capacidades desde unos pocos

MVA hasta 120 MVA, cuyos devanados del estator estn fabricados con diferentes

tipos de aislamientos, dependiendo de su antigedad, como son a base de asfalto,

resina polister resina epxica; y que utilizan diferentes medios y tipos de

enfriamiento como son aire en circuito abierto circuito cerrado, hidrgeno

enfriando indirectamente o directamente y agua.

Aun con tanta variedad en diseos de los generadores elctricos, los mecanismos

de degradacin de los aislamientos del devanado del estator son los mismos; la

temperatura a la que operan, los esfuerzos mecnicos de los arranques, paros y

corrientes, los esfuerzos elctricos, principalmente en tensiones a partir de 13,8 kV

y el ataque de agentes qumicos o ambientales. El impacto de cada mecanismo de

degradacin difiere dependiendo del diseo del generador elctrico en cuanto al

tipo de sistema de aislamiento utilizado y tipo de enfriamiento, as como de la

magnitud y repeticin o duracin de los mecanismos de degradacin.

Desde hace mucho tiempo se ha tratado de diagnosticar la condicin de los

aislamientos del devanado del estator buscando pruebas de diagnstico que sean

lo ms efectivas posible para indicar el grado de deterioro, su localizacin

especifica y el mecanismo que produce la degradacin. Tradicionalmente, las


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pruebas de diagnstico se han realizado fuera de lnea, es decir, con la mquina

desenergizada, aprovechando las salidas de las unidades a mantenimiento, con unenfoque de mantenimiento preventivo, es decir, peridico.

Desde unos aos atrs, se ha buscado el enfoque predictivo, el cual se basa

principalmente en diagnstico en lnea, es decir, con la mquina en operacin

normal, lo cual tiene la ventaja de analizar la mquina bajo todas las condiciones de

operacin. Hace unos 60 aos se empezaron a desarrollar instrumentos para medir

las descargas parciales en lnea, las cuales son un buen indicador de la condicin

de los aislamientos. Esta tcnica se inici en generadores hidroelctricos ya que la

tecnologa de esos tiempos, con electrnica analgica, no permita discriminar

adecuadamente las descargas parciales del ruido elctrico en los

turbogeneradores. Con el desarrollo de la tecnologa de estos instrumentos, en

especial la tecnologa digital, y el desarrollo de programas de computadoras,

actualmente existen varias compaas que fabrican equipos de monitoreo para todo

tipo y capacidad de mquinas elctricas rotatorias.

La limitante en el uso extensivo de estas tecnologas de monitoreo en lnea es el

costo de los equipos. Sin embargo, en ELECTROPERU S.A. ya se han

instrumentado los 10 generadores hidrulicos con este tipo de instrumentos, siendo

IRIS POWER ENGENIEERING la empresa suministradora.

1.1 Objetivo

El objetivo principal es identificar los problemas de aislamiento existentes en los

estatores de los grupos generadores de las centrales de ELECTROPERU S.A.,


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mediante el monitoreo e interpretacin de descargas parciales utilizando el equipo

IRIS POWER PDA IV para lograr la correcta confiabilidad de los grupos.

1.2 Alcances

El presente trabajo analiza mediante el monitoreo de las descargas parciales los

aspectos de mejora en el procedimiento de trabajo y costos econmicos

relacionados a la degradacin del aislamiento en el devanado de los estatores de

las centrales del Mantaro, para as poder gestionar mejor el mantenimiento

elctrico.

Este trabajo est dirigido a todos los ingenieros y tcnicos que se dediquen al

sector elctrico especialmente a la generacin de energa elctrica (centrales

hidroelctricas) y pretendan mejorar la calidad del diagnstico del devanado de los

generadores elctricos, con nuevos equipos de tecnologa las cuales ayuden a

minimizar las desconexiones forzadas relacionadas con el grado de deterioro del

aislamiento para de esta manera obtener ahorros considerables.


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CAPTULO II

DEVANADOS DEL ESTATOR DE MOTORES Y

GENERADORES

Una mquina rotativa est compuesta por dos componentes principales: el estator y

el rotor. El rotor crea un campo magntico rotativo y el estator est compuesto por

una serie de conductores, o devanados que el ncleo del estator mantiene fijos. Es

la conductividad y forma de la barra del rotor junto con el diseo de devanado del

estator que determinan las caractersticas de encendido y funcionamiento del motor

o la potencia del generador. Los devanados proveen el camino para los electrones,

por ejemplo, de la electricidad, mientras el ncleo fija el campo magntico, asegura

los devanados y disipa el calor. Como en el devanado de un estator de voltaje

medio o alto, la diferencia entre los conductores y el ncleo puede ser de miles de

voltios, es necesario separar las dos superficies con un material aislante. Este

material aislante aunque es necesario para la aislacin, soporte y transferencia de

calor, no cumple ningn papel en la generacin de electricidad o torque. Sin

embargo, los materiales aislantes son proclives al envejecimiento como resultado

de factores trmicos, elctricos, medio ambientales y mecnicos. Aunque los

conductores elctricos y cualquier otra parte metlica del generador, no son

materiales aislantes, si forman parte del sistema aislante, ya que su posicin,

geometra y potencial determinan la intensidad del campo magntico al que se

someten los materiales aislantes.


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Figura 2. 1: Mquina rotativa

Estas caractersticas de las partes metlicas en un generador (posicin, geometra

y potencial) son fundamentales en el estado de comportamiento y estado de

materiales aislantes en una mquina elctrica.

2.1 DISEO DEL DEVANADO DEL ESTATOR

La principal funcin de la bobina o barra del devanado del estator es de proveer una

conductividad a las corrientes inducidas por el campo magntico giratorio; en tal

sentido los diseadores de devanados han realizado un gran esfuerzo para

asegurarse de poner la mayor cantidad de cobre y la menor cantidad de aislacin

posible en cada bobina o barra. La construccin que ellos decidan depende del

tamao (a la mxima eficiencia generadora) de la mquina elegida por el cliente y

de la cantidad de dinero que ste quiera gastar. Las de voltaje medio a alto

(>2300V) estn fabricadas con bobinas de devanado concntrico, mientras que las

mquinas de bajo voltaje tienden a ser de devanado intercalado. Las bobinas de

devanado concntrico estn diseadas de manera tal que la tensin de la espira de

voltaje sea constante. Son diferentes a las de motores con devanado alternativo


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donde la tensin de la espira de voltaje puede variar considerablemente y puede

ser el mximo voltaje fase a tierra. Aqu slo discutiremos las bobinas de arrolladoconcntrico.

2.1.1 Estructuras de las Bobinas

Hay tres diseos ampliamente usados de devanado concntricos del estator:

Barra (semibobina).

Bobina multi-espira, devanado diamante.

Bobina multi-espira, devanado concntrico.

La seleccin del diseo se basa en los requerimientos deseados de produccin

para esa mquina. Tpicamente, las mquinas de menos de 75MW tendrn bobinas

multi-espira, mientras que las ms grandes tendrn barras. Los estatores con

devanados de tipo diamante pueden encontrarse en mquinas antiguas pero se

utilizan casi exclusivamente en diseos modernos. El tipo de devanado concntrico

puede encontrase en algunos motores grandes antiguos. La seleccin del diseo se

basa en los requerimientos deseados de produccin y en el factor energtico. Las

razones de la eleccin exceden la competencia de esta Tesis, pero generalmente

tienen que ver con la fabricacin, facilidad de instalacin y reparacin.

2.1.2 Barra (semibobina)

Si las ranuras del ncleo son extremadamente largas o el dimetro de las

perforaciones no es el apropiado, puede resultar extremadamente difcil instalar una

bobina entera. Para estas mquinas las bobinas estn frecuentemente fabricadas

en dos mitades y se denominan barra o media-bobina. Adems, se las identifica por

las posiciones relativas dentro de la ranura del estator, por ejemplo de barra


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superior a la que est ms cerca del rotor y de barra inferior a la que est en la

parte inferior de la ranura.

Esta disposicin en secciones hace ms fcil la instalacin ya que cada barra

puede ser insertada por separado y luego conectada a la otra mitad. Una barra

(media bobina) est formada por un grupo de hebras de cobre aisladas iguales al

rea de corte transversal y aplicando luego el aislamiento exterior. Hay dos tipos

comunes de barras: devanado ondulado y devanado de vuelta (ver Figura 2.2). La

nica diferencia entre los diseos es que las estructuras del brazo final varan para

acomodarse al diseo de la barra.

Devanado Ondulado

Devanado Vuelta

Figura 2. 2: Diseo de Barra

2.1.3 Bobinas multi-espira

Una bobina multi-espira (ver Figura 2.3), se forma tomando un grupo de hebras

aisladas de cobre para formar la seccin transversal de la espira requerida yenvolviendo, si estuviera especificado, varias capas de aislacin alrededor de ellas.

El manojo se enrolla luego en un nmero especfico de vueltas alrededor de un

calibre y eventualmente se tironea de l y se obtiene como resultado la familiar

forma de diamante. La bobina entera se asla con mltiples capas de aislamiento

exterior.


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Figura 2. 3:Bobinado Diamante

2.1.4 Bobinas concntricas

Una bobina concntrica (ver Figura 2.4), se forma tomando un grupo de hebras

aisladas de cobre que forman la seccin transversal del conductor y si las

especificaciones as lo piden, varias capas de aislacin se envuelven alrededor de

ellas. Estas son luego agrupadas antes de darles la forma de u. Luego, a

excepcin de los extremos, la bobina en forma de u se asla con mltiples capas

de aislamiento externo. Como los devanados formados en estas bobinas son

concntricos, se requieren diferentes tamaos de bobinas. El ncleo para este tipo

de devanado tiene ranuras semi-cerradas, de esta manera las bobinas en forma de

u se insertan desde un extremo y luego se conectan al otro extremo para formar

una bobina concntrica multi-espiras.

Figura 2. 4: Bobina Concntrica

2.2 TIPOS DE AISLAMIENTO

Como se muestra en la Figura 2.5, hay tres tipos de aislamiento en una bobina

multi-espiras: subconductor, entre vueltas y principal. Como en una barra (semi-


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bobina) no hay espiras, encontraremos slo subconductor y principal (ver Figura

2.6).

Figura 2. 5:Aislamiento en una bobina Multi-espiras

La funcin primaria del aislamiento es separar al conductor del ncleo del estator a

fin de permitir que exista una diferencia de voltaje entre los dos. Los materiales de

derivacin ms comunes utilizados para proveer esta separacin elctrica son

vidrio, papel de mica y escamas de mica. Todos estos productos tienen excelentes

propiedades aislantes, sin embargo, poseen muy malas propiedades mecnicas. El

vidrio y la mica tienden a hacerse aicos cuando estn expuestos a fuertes

vibraciones - 100/120Hz presentes en un generador. Para disminuir el impacto

mecnico en la aislacin, los diseadores de devanados han decidido impregnar las

cintas con un compuesto orgnico. Los compuestos orgnicos frecuentemente

utilizados son asfalto, polister y epoxi. El tipo de componente existente en su

motor o generador depender de la compaa que fabric el devanado y del ao defabricacin.


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Figura 2. 6:Aislamiento en una barra Roebel, semi-bobina

2.2.1 Aislamiento del Subconductor

El propsito del aislamiento del subconductor es, bastante lgico, aislar los

subconductores individuales que constituyen un paquete de espiras, las espiras

son fabricadas de subconductores ms pequeos 3-7 mils para reducir el efecto

piel y las prdidas de corrientes parsitas a causa del campo magntico axial. Los

subconductores tienen un rea superficial ms grande y pueden llevar ms

corriente que un conductor slido. El campo magntico axial (ver Figura 2.7), son

esos campos que son perpendiculares a la mayor parte del campo magntico

radial y por consiguiente induce una corriente alrededor del rea de la seccin

transversal del subconductor conductivo. La tensin de voltaje a travs del

aislamiento del subconductor es usualmente menos que 1 V (est en el rango de

mili voltios). Dado que hay tensin mnima, la falla del aislamiento del

subconductor normalmente incrementa las prdidas parsitas; sin embargo, si al

formar el arco est presente, los cortos de subconductor a subconductor puedeneventualmente llevar al fallo del bobinado.


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Figura 2. 7: Prdidas de Corrientes parsitas en sub conductores

Durante muchos aos se utiliz asbesto, ahora se ha reemplazado por fibra de

vidrio y dracn. Para maximizar la cantidad de cobre, dentro de la ranura, algunos

fabricantes alternan conductores con laca y conductores con fibra de vidrio y

dacrn; la laca aporta una gran resistencia dielctrica entre conductores con un

espesor muy bajo, sin embargo no tiene buena resistencia a las descargas

parciales.

2.2.2 Aislamiento entre Vueltas

Mientras que el bobinado tipo barra del estator tiene una sola vuelta solamente, no

hay requerimiento de aislamiento entre vueltas; solo las bobinas multi espiras

pueden tener el aislamiento entre vueltas. La presencia o ausencia del aislamiento

entre vueltas, depender de su especificacin de arrollamiento o fabricacin.

El propsito del aislamiento entre vueltas es de prevenir las grandes corrientes

inducidas entre vueltas o espiras.El poder de frecuencia de tensin de voltaje a

travs del aislamiento entre vueltas en unas bobinas de tensin es constante y es


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un producto de la mquina de diseo. Esto puede ser computado basado en el

voltaje fase-tierra de la mquina, el nmero de bobinas en serie, en un paralelo y elnmero de vueltas o espiras en una bobina. Normalmente, la tensin de voltaje a

travs del asilamiento entre vueltas es de 10 200 V por vuelta.

Por ejemplo, si la mquina de tensin en 13,8 kV fase a fase con 21 bobinas por

paralelo y 3 vueltas o espiras por bobina, entonces los clculos siguientes aplican:

Voltaje fase-tierra

bobinas V/bobina

Voltios/espira=

voltios/bobina

espiras/bobina

V/3 espiras=126 V/espira

Si falla el aislamiento entre vueltas, habr una tremenda cantidad de corriente

circulante dentro de la bobina; esto es causado por una exposicin completa de la

trayectoria del circuito (bucle cerrado) a un fuerte campo magntico produciendo

una corriente alta a travs de las vueltas con un corto (ver Figura 2.8). El resultado

es una muy alta tensin trmica I2R en el aislamiento principal de bobina adyacente

a la posicin del corto y por ende un inminente fallo del aislamiento principal. El

tiempo de falla es desconocido, pero esto podra ser tan corto como unos

segundos, dependiendo de la impedancia de la falla.


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Figura 2. 8: Falla en aislamiento entre vueltas

En tal sentido la funcin principal de este aislamiento, es evitar que voltajes

transitorios, de frente muy rpido, puedan romperlo y conducir as una falla entre

vueltas o espiras.

Originalmente se utiliz asbesto. Despus, un material sinttico como el nomex.

Actualmente el aislamiento entre vueltas generalmente es mica.

2.2.3 Aislamiento Principal

El propsito del aislamiento principal es de prevenir los cortos entre los conductores

de cobre y la masa del ncleo estatrico aterrado. El espesor del aislamiento

principal depender nicamente del nivel de voltaje de la mquina y de la tensin

volts/mm escogido por el fabricante. Por ejemplo, para la mquina descrita arriba en

13.8 kV, la ms alta tensin de voltaje a tierra es 7967 V. Si la tensin mxima en

volts/mm escogido por el fabricante es 2.5 kV/mm (65V/ml), entonces el aislamiento

principal seria por lo menos 3mm (123 mils) de espesor. No se necesita decir que

es ms grueso el aislamiento y menos espeso el cobre en la ranura. Sin embargo el


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aislamiento principal, la ms alta tensin de voltaje por este y la alta susceptibilidad

aumentan la falla o perforacin elctrica. Hay ventajas de cualquier modo, y sedebe decidir con cual est ms confortable.

La tensin de voltaje a travs de un aislamiento principal est basada en el voltaje

calculado del devanado y de la posicin del bobinado dentro del devanado. La

tensin de voltaje en el aislamiento principal en la lnea final del bobinado ser el

voltaje total de fase a tierra, en nuestro ejemplo anterior: 7967 V; sin embargo por la

segunda bobina debajo de la lnea, la tensin del aislamiento principal seria:

Voltaje fase-tierra (voltios/bobina x posicin de la bobina) o en nuestro ejemplo:

7967V - (379 V/bobina * 1) = 7588 V (primera bobina abajo)

7967V - (379 V/bobina * 10) = 4173 V (decimal bobina abajo)

7967V - (379 V/bobina * 20) = 379 V (veinteava bobina abajo)

La falla del aislamiento principal es una perforacin del aislamiento y llevara a una

parada operacional y la incapacidad para volver a reparar la unidad.

El material primario usado en aislamiento es un material resistente a la descarga

parcial llamado mica. La mica es elctrica y trmicamente durable pero es

extremadamente quebradizo; debido a esta caracterstica es necesario proteger a la

mica del estrs mecnico impregnando a las cintas con resina orgnica; la resina

orgnica proporciona la fuerza mecnica pero puede ser impactado por tensiones

elctricas y trmicas.

A continuacin mostraremos diferentes tipos de materiales utilizados como:


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a) Aislamiento principal (clase A; 105 C)

Dado que no tena mica, este aislamiento era usado en tensiones de hasta 2300volts. Su transferencia de calor y su capacidad para evitar el ingreso de la humedad

y aceite eran deficientes.

b) Micafollium Shellac(clase B; 130 C)

Este aislamiento se construa colocando hojuelas de mica, sobre papel con resinas

shellac o copal. Hojas del tamao de las partes rectas de las bobinas, envolvan

estas partes hasta tener el espesor adecuado. Entonces se curaban en prensas

calientes, los cabezales se encintaban con tela cambray barnizada.

c) Cinta de mica con asfalto (clase B; 130 C)

Este aislamiento se aplicaba, de manera continua a toda la bobina, usando una

cinta de material similar al micafolium. Conforme la bobina se encintaba, se

aplicaba barniz de asfalto. Despus, se impregnaba un proceso de vaco y de

presin (VPI).

El mayor problema de este aislamiento, principalmente en ncleos largos, fue su

vulnerabilidad a la separacin o fractura, a la salida de la ranura, por efecto de

expansin diferencial y ciclos trmicos.

d) Cinta de mica con resina polister(clase B; 130 C)

Originalmente, este sistema utilizaba grandes hojuelas de mica sobre fibra de vidrio,

y en ocasiones, una tela de fibra de polister para poder tensionar la cinta al

aplicarla.


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Cuando apareci el papel de mica, ste sustituyo a las hojuelas; el aislamiento se

aplicaba, de manera continua a toda la bobina, usando cinta de ese material.Despus, se impregnaba con resina polister usando un proceso de vaco y presin

(VPI).

El mayor problema de este aislamiento, fue la baja viscosidad de la resina durante

el proceso VPI y la estabilidad de la resina una vez que estaba curada, adems en

el generador se presentaban temperaturas relativamente altas.

e) Cinta de mica con resina epxica (clase F; 155 C)

Similar al sistema con resina polister, pero usando en su lugar resina epxica.

Esta ltima tiene caractersticas de cohesin mecnica y estabilidad, a altas

temperaturas, superiores a la resina polister. As, el aislamiento es menos

susceptible de delaminacin y formacin de huecos.

f) Cinta de mica con exceso de resina epxica, tambin llamada Resin Rich

(clase F; 155 C)

La resina sin polimerizar (en estado B) es aplicada en exceso, al momento de

fabricar la cinta. Despus, la cinta se usa para aislar las bobinas. Finalmente, la

resina se polimeriza en prensas calientes. El excedente de la resina se expulsa en

este ltimo paso del proceso.

g) Bao y horneo de mica seca con barniz(clase B y F)

Para estatores pequeos de hasta 4 kV, se usa cinta totalmente curada (con resina

polimerizada) para construir las bobinas. Despus de montarlas en el estator, el

conjunto se inunda con barniz adecuado y se hornea.


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h) Hule siliconado(clase H; 180 C)

Este material, resistente a las altas temperaturas, se deposita sobre fibra de vidrio,para fabricar cintas. Su uso como asilamiento principal de bobinas, se limita a

tensiones de hasta 4 kV por la ausencia de la mica.

Este material es vulnerable a los daos mecnicos, antes, durante y despus de la

fabricacin de las bobinas.

2.3 PROCESO DE FABRICACIN

Diferentes fabricantes usan diferentes procesos de fabricacin, pero los pasos

bsicos estn sobre el mismo. Los procesos que escogen los fabricantes deberan

estar basados en sus especificaciones, su experiencia y capacidad.

Los pasos bsicos para la fabricacin son los siguientes:

Paso 1: Ate juntas las hebras aisladas.

Paso 2: Aplique el aislamiento a la espira o vuelta (si se usa).

Paso 3: Forme un manojo de bobinas.

Paso 4: Aplique las cintas de aislamiento principal.

Paso 5: Impregnar o presionar la cura.

2.3.1 Procesos de Impregnacin

a) Impregnacin a presin en vaco (VPI)

Este proceso es usado normalmente en mquinas de ncleos cortos ya que son

demasiado grandes para ser impregnados globalmente. El proceso es aplicar papel

de mica seca o mica - desdoblada a las bobinas; estas bobinas verdes son

insertadas en un molde (un molde por bobina) y los moldes son entonces puestos

en lotes en un tanque de impregnacin, luego en el tanque el vaco es arrastradopara retirar el aire atrapado entre las capas de la cinta, posteriormente una baja


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viscosidad epxica o resina de polister (basado en la fabricacin) es inyectada en

el tanque y el tanque se presuriza, la resina se mantiene a la temperatura apropiaday al nivel de presin adecuado para permitir que la resina fluya entre las capas de

cinta de mica, finalmente se aplican calor y presin a las bobinas para curar

(reparar) la resina y reducir el tamao del vaco; este ltimo paso tambin fija las

dimensiones de la porcin de la ranura de la bobina estatrica.

b) Global VPI

Es un proceso de impregnacin comnmente utilizado para ncleos de dimetros

pequeos. Como describimos anteriormente en el grupo de procesos VPI, las

bobinas estn aisladas primero con papel de mica desdoblado, entonces las

bobina verde son colocadas en las ranuras y se rellenan lateralmente y

posteriormente se acuan. La parte final de los devanados son obstruidos y atados,

posteriormente el estator completo se pone en un tanque VPI y a continuacin es

impregnado y secado en el horno para curarlo (repararlo).

Las ventajas de un estator global VPI son que los costos de fabricacin pueden

reducirse, el proceso puede ser acelerado, y el producto final es mecnicamente

muy bueno. La entereza mecnica es el resultado de acuar y bloquear o obstruir

las bobinas antes del proceso de impregnacin; as, la impregnacin ayudara a

asegurar las bobinas en su lugar e incrementar la estabilidad mecnica del estator.

c) Cintas Cargadas con Resina (Etapa-B o enriquecida con resina)

Algunos fabricantes prefieren usar cintas de papel de mica que se impregnan

directamente con una resina epxica. Sin embargo estas cintas pueden ser

utilizadas en cualquier tamao de bobinas o barras y son usados por varios


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fabricantes; estas cintas cargadas con resina epxica son aplicadas directamente a

la bobina y posteriormente son calentadas y colocadas en una prensa; dentro de laprensa las bobinas son calentadas y presionadas para curarlos (repararlos). El

calentamiento de la cinta causa que fluya la resina y llene todos los vacos dentro

de las capas de la cinta. El buen control de calidad es para asegurar que haya

suficiente resina en la cinta y que esto fluya cuando sea calentado adems tenga

un punto de buena consistencia kick over.

2.3.2 Control de Tensin de Voltaje

Adems de los materiales de aislamiento, las hebras, las espiras, el aislamiento

principal, hay que hacer un control de tensin de voltaje en mquinas de 6 KV e

inferiores a dicho nivel de tensin. El propsito del control de tensin de voltaje es

crear una uniforme tensin a lo largo del aislamiento en la porcin del devanado del

estator de hierro y eliminar la descarga parcial (corona) de la superficie que pudiera

desarrollar en lugar donde el exterior del aislamiento tiene contacto con el ncleo

(ver Figura 2.9).

Figura 2.9: Control de tensin de voltaje


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Hay dos tipos de materiales que son usados para el control de tensin de voltaje:

cintas o pinturas semiconductoras (cargados de carbn) y cintas o pinturasgraduadoras (carburo de silicio).

a) Capa semiconductora

Como se observa en la Figura 2.9, muestra una seccin de ranura de estator

observndose solo la parte de arriba y lateral de la bobina. La bobina es un paquete

lateral en la ranura usando un tipo de empaquetamiento lateral semiconductor

(nota: los sistemas de aislacin ms antiguos puede contener un empaque lateral

que no es conductivo. Por consiguiente los devanados tienen bobinas conectados a

tierra eficazmente al estator en un solo lado). Como mostramos la bobina lateral en

la figura de arriba, entre el cobre de alto voltaje y el ncleo del estator conectado a

tierra, est el aislamiento y un vacio areo (dair). Note que, originalmente, este vaco

areo puede haber tenido menos de 0.05 mm (2mils) basado en la mayora de las

especificaciones tcnicas de la instalacin. Sin embargo, durante el primer ao de

operacin, el aislamiento recientemente aplicado se encoge ligeramente y puede

dejar un vaco areo ms grande. Desde que el aislamiento y el vaco areo estn

entre dos pedazos de metal, forman un capacitor con materiales que tienen

diferentes propiedades dielctricas (). Cuando el voltaje lnea-tierra en CA

calculado es aplicado por el capacitor, es dividida la tensin de voltaje por cada

dielctrico, esto basado en sus propiedades dielctricas y espesor. Un arco o

descarga parcial ocurrira si el voltaje a travs del vaco areo dielctrico exceda o

supera el punto de falla por el aire:

Eair= Vair/dair= 3 kV/mm

Reducir la tensin de voltaje por el vacio areo, con un material semiconductivo

(cargado de carbn), como pintura o cinta, es usado para rodear la porcin de la


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bobina que est dentro de la ranura. Los fabricantes usan este tipo de materiales

semiconductivos para cortocircuitar el capacitor por el vaco areo, as prevenimosun incremento de voltaje, que pudiera producir una descarga parcial. Con tal que la

superficie semiconductora est intacta y continua, no debe haber oportunidad para

tensiones en los espacios entre el hierro estatrico y la superficie de la bobina que

pueden alcanzar niveles que normalmente causan una perforacin del aire. Una

solida puesta a tierra de la superficie de la bobina asegura una tensin de voltaje

uniforme a travs del aislamiento principal.

b) Capa Graduadora

El segundo componente para controlar de tensin de voltaje es un carburo de silicio

basado en pintura o cinta denominado capa graduadora. En el rea final del

devanado, la ausencia de una definida puesta a tierra permite que la superficie de

la bobina est al mismo potencial que el conductor. Este es un voltaje fase a tierra

calculada para el fin de lnea de la bobina. Al borde de la cinta semiconductora justo

fuera de la ranura, hay una tensin elctrica alta ya que este voltaje superficial es

de repente conectado a tierra. Para prevenir esto, los fabricantes ponen una capa

graduadora en la superficie del sistema de aislamiento principal ligeramente

solapando la capa semiconductora y extendindose de 7 a 12 cm hacia el rea final

del devanado como mostramos en la Figura 2.10. La longitud de esta rea

graduadora es gobernada por el voltaje de diseo del devanado y de las

consideraciones tcnicas del fabricante.

Este material de carburo de silicio tiene una propiedad resistiva no lineal en la que

la resistencia disminuye con la aplicacin de voltaje. El propsito de esta capa (sin

descargas parciales) es decrecer lentamente el alto voltaje al final del devanado de

la capa semiconductora conectada a tierra.


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Figura 2.10: Localizacin de la capa graduadora

Este material de carburo de silicio tiene una propiedad resistiva no lineal en la que

la resistencia disminuye con la aplicacin de voltaje. El propsito de esta capa (sin

descargas parciales) es decrecer lentamente el alto voltaje al final del devanado de

la capa semiconductora conectada a tierra. Sin ninguna de las dos capas de control

de tensin mencionadas, habra tensiones elctricas severas por algunos puntos

relativamente localizados en el arrollamiento. Esas tensiones podran reducir la

expectativa de vida del arrollamiento y por ende producir descargas parciales.

2.4 MECANISMOS DE FALLA (MF)

El primer paso en la mayora de los mecanismos de falla, es la creacin de vacos

llenos de gas. Estos vacos son el resultado de la degradacin de la resina

impregnada. Pueden ser internos al sistema de aislacin (deterioro trmico, ciclo de

carga, impregnacin incorrecta) o en la superficie de la bobina (devanado flojo,

descarga en las ranuras, deterioro de las cintas o pintura

semiconductora/graduadora, contaminacin, espaciado inadecuado). Los pulsos de

los cabezales y la penetracin de un objeto extrao en el aislamiento no producen

descargas y por lo tanto no pueden ser detectadas mediante la prueba dedescargas parciales.


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Cada usuario deber determinar los factores de mayor impacto para su caso

particular, a fin de tomar las acciones correspondientes. Para este propsito serecomienda elaborar el diagrama de causa efecto siguiente.

Figura 2. 11: Diagrama causa efecto para fallas de aislamiento

A continuacin se describen algunos de los mecanismos de falla que pueden

ocurrir en el devanado del estator.

2.4.1 Deterioro Trmico

El deterioro trmico puede ocurrir como resultado de sobrecargas, enfriamiento

deficiente, desequilibrio del voltaje entre fases y deficiencias en el diseo. Como en

la mayora de los sistemas de aislamiento, el dao es acumulativo, irreversible y da

como resultado la disminucin en la capacidad de la resina adherente (epoxi o

polister) para mantener mecnicamente unidas las capas de aislamiento. Esta

prdida de unin mecnica permite la formacin de vacos entre las capas de cinta

que forman el grosor del aislamiento. A medida que las capas de cinta se van

deslaminando, los conductores se pueden liberar lo suficiente como para vibrar,

creando descargas parciales en los vacos.

Arranques,paros, horas deoperacin y tipo

de carga

ContaminacinFallas y

FenmenosTransitorios

Efectividad deMantenimiento

TemperaturaCalidad deFabricacin

Fallas delAislamiento


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Las Descargas Parciales (DPs), junto con la posible abrasin mecnica, pueden

llevar a la produccin de cortos entre los subconductores y las vueltas o espiras. Ladescomposicin del aislante por simple recalentamiento trmico puede llevar aos,

dependiendo de la temperatura y el grosor del aislamiento principal.

El aislamiento normalmente utilizado en mquinas elctricas rotativas (MER) es

clase F, esto significa que puede operar 20.000 horas a 155 C. Tericamente, ese

tiempo se duplica cada vez que la temperatura baja diez grados, y no existen otros

agentes dainos, tales como contaminacin o vibracin.

Figura 2. 12: Sensores RTD

En realidad, las MER operan a temperaturas promedio de entre 90 y 100C,

medidas con sensores RTD (temperatura). Sin embargo algunos puntos en sus

devanados pueden tener temperaturas sustancialmente mayores a esos

promedios, esto depende del grado de limpieza de devanados y ncleo, el estado y

desempeo del sistema de ventilacin y enfriamiento y el tipo de carga de la MER.


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Tabla N2. 1: Indicadores relevantes por deterioro trmico

Mecanismo

de fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Deterioro

trmico

Descargas

parciales,

descoloracin del

aislamiento

DP, inspeccin visual,

tg , factor de

potencia

Mica asfltica

2.4.2 Ciclaje de Carga

El impacto negativo de los cambios frecuentes en las cargas de la mquina, causan

tensiones cclicas de corta duracin sobre el asilamiento debido a los diferentes

coeficientes lineales de expansin trmica en los materiales del devanado del

estator. Como el cobre se expande con el aumento de temperatura (debido a las

prdidas I

2

R), el aislamiento que est pegado al cobre y apretado firmemente entreel conductor y el ncleo, no se puede expandir debido a un coeficiente ms bajo de

expansin trmica y ms baja temperatura. Las tensiones repetitivas debidas a

cambios repentinos en la carga, fatigan la unin mecnica entre el aislamiento

principal y el aislamiento de los subconductores o de las espirales, causando que la

unin eventualmente se debilite y se rompa. Esto se observa principalmente en

mquinas de ncleos largos, mquinas con bobinas o barras de estator ms largas

de 2 m. Las turbinas a gas y unidades de almacenaje y bombeo, por su forma de

operacin, son susceptibles a este tipo de deterioro en el aislamiento. Los motores

son los que probablemente sufren el peor dao debido al ciclaje de carga porque

estn sujetos a arrancar y parar de forma repetitiva.

El ciclaje de carga causa movimiento del aislamiento principal de la bobina o barra


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del estator con respecto al hierro del estator, sobre un largo perodo de tiempo,

estos pequeos movimientos pueden daar las reas de la superficiesemiconductiva del devanado.

Tabla N2. 2: Indicadores relevantes por ciclaje de carga

Mecanismo de

fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Ciclaje de

carga

Descargas

parciales

DP, inspeccin visual,

tg , factor de

potencia

Mica asfltica

2.4.2 Impregnacin Defectuosa

Algunas veces durante el proceso de impregnacin, inadvertidamente se dejan

vacos dentro del aislamiento principal. Esto puede ocurrir debido a un vaco o

presin inadecuados, viscosidad muy alta de la resina, temperaturas inadecuadas,u objetos extraos encajados en las cintas. En la presencia de tensin de voltaje,

ocurrirn descargas parciales a travs de estos vacos y atacarn a la resina

orgnica. Este ataque puede conducir a cortos en las hebras o espiras si los vacos

estn cerca de los conductores de cobre y eventualmente dentro de los 2 a 5 aos

puede ocurrir la falla del devanado multi-espiras. Si los vacos estn en el centro

del grosor del aislamiento principal, son ms benignos y de menor magnitud, por lo

tanto la falla puede tomar muchos aos en manifestarse. Un problema adicional

debido a la impregnacin deficiente es que los vacos internos crean una barrera

trmica, inhibiendo la transferencia de calor desde el cobre al ncleo dando como

resultado una ms alta tensin trmica. Debido a las complejidades presentes

durante el proceso de impregnacin, la aplicacin deficiente se da ms en


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estatores impregnados con el sistema VPI global o en bobinas ricas en resinas

fabricadas usando cintas viejas.Tabla N2. 3: Indicadores relevantes por impregnacin defectuosa

Mecanismo de

fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Impregnacin

defectuosa

Descargas

parciales

DP, tg , factor de

potencia

Globales VPI

bobinas cargados de

resina.

2.4.4 Bobinados Flojos

Si estn instalados apropiadamente, las cuas y el empaque lateral deberan

prevenir aflojamientos en el devanado. Sin embargo, como algunas resinas del

aislamiento se contraen cuando se curan, las bobinas pueden achicarse y por lo

tanto quedar flojas en la ranuras. Tambin parte de las cuas y materiales deempaque pueden volverse quebradizos y achicarse con el paso del tiempo,

permitiendo que el bobinado se afloje. En presencia de aceite, el empaque lateral y

los resortes ondulados se aflojarn ms rpido debido al medio lubricante.

Si las bobinas estn flojas, esta flojedad rpidamente permitir que la dura

superficie del ncleo laminado del estator dae las capas que recubren la superficie

del devanado. Las superficies daadas de la bobina crean discontinuidades en la

superficie, permitiendo la creacin de tensiones de voltaje a travs de estos lugares

aislados, o entre estos y el hierro del estator. Si la tensin del voltaje excede el

punto de ruptura elctrica del medio gaseoso, ocurrir una descarga.

Eventualmente se producir un efecto escalera donde el aislamiento principal ser

ms delgado en el punto de contacto con el ncleo, pero mantendr el grosor


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normal en las ventilas de aire del ncleo. Aunque el tiempo absoluto entre la

deteccin de la flojedad y la falla no es conocido, puede ser tan corto como dosaos en muchos devanados (duros) termoestables, especialmente en aquellos con

alta tensin elctrica a travs del aislamiento principal.

Tabla N2. 4: Indicadores relevantes por bobinados flojos

Mecanismo de

fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Bobinados

flojos

Descargas parciales,descarga en ranuras,

ozono, cuas sueltas

DP, inspeccin visual,golpe ligero de cua,

ozono.

Sistemasepxicos y

polyester.

2.4.5 Descarga Elctrica en la Ranura

Descarga de ranura es el trmino dado a las descargas que ocurren entre la

superficie de la bobina y el hierro del estator. Si la capa semiconductora en lasuperficie del bobinado se deteriora, da como resultado la creacin de descargas

elctricas en la ranura (DP) y la produccin de ozono. Tanto las Descargas

parciales como el ozono acelerarn la descomposicin de las resinas orgnicas

adherentes epoxi o polister. Debido a esta descomposicin de las resinas, las

bobinas disminuirn de tamao y pueden aflojarse. Si se permite que se aflojen, las

superficies semiconductoras de las bobinas son las primeras en daarse dando

como resultado reas de alta tensin elctrica. Si la cubierta semiconductora est

fabricada deficientemente, especialmente si se utiliz pintura, puede volverse no

conductora a altas temperaturas y dar como resultado alta tensin elctrica. Sin

embargo, mientras las bobinas se mantengan fijas en las ranuras, la falla causada

por ruptura elctrica puede tomar dcadas. Por eso, las mquinas con daos

menores en las superficies de las bobinas pueden todava dar muchos aos de


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operacin confiable, siempre y cuando se evite el movimiento mediante el cambio

de las cuas daadas. Una vez daadas, las superficies semiconductoras son muydifciles de restaurar, por lo tanto la prevencin es lo ms importante de todo. Los

devanados con cintas o pintura semiconductora severamente daadas, requerirn

su reemplazo debido a la gran produccin de ozono. La descarga en las ranuras

ocurre primariamente en mquinas enfriadas con aire.

Tabla N2. 5: Indicadores relevantes por descarga elctrica en ranuras

Mecanismo de

fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Descarga

elctrica en la

ranura

Descargas parciales,

descarga en ranuras,

ozono.

DP, inspeccin

visual.

Enfriadas con

aire.

2.4.6 Interface de Tensin de Voltaje

Figura 2. 13: Capa protectora para control de tensin

A fin de controlar adecuadamente la tensin de voltaje de un devanado la interface

entre las capas semiconductora y graduante deben ser eficientes (ver Figura 2.13).

Debido a las altas tensiones elctricas y a las temperaturas, esta interface puede


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deteriorarse con el paso del tiempo, especialmente con pinturas que controlen la

tensin de voltaje. Como resultado de este deterioro la graduacin de la capagraduante pierde contacto a tierra, flota a un voltaje ms alto y hace chispa a travs

de la interface a tierra. En mquinas enfriadas con aire, esto producir ozono y

dejar una banda blanca de residuo en las salidas de las ranuras. Esa banda se ve

claramente cuando se inspeccionan las mquinas. El dao en el aislamiento en

este tipo de deterioro es muy lento ya que las Descargas parciales tienen lugar

entre dos puntos de la superficie de la bobina.

Tabla N2. 6: Indicadores relevantes por interfase de tensin de voltaje

Mecanismo de

fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Interfase

semiconductor

a/gradiente

Descargas

parciales, polvo

blanco, ozono.

DP, inspeccin

visual, tg , factor

de potencia

Enfriadas con aire,

con pinturas de

control de tensin

2.4.7 Contaminacin de los cabezales

Cuando cualquier clase de contaminacin conductiva ya sea de humedad o aceite

mezclado con polvo/suciedad contamina una mquina, es posible que se cree un

conducto o senda elctrica a travs de los bloques de montaje de los cabezales o a

lo largo de los cabezales mismos. El camino elctrico se debe a que la

contaminacin introduce una senda conductiva entre dos bobinas adyacentes de

diferente potencial y muy a menudo de diferentes fases. Como resultado de este

fenmeno, descargas parciales pueden ocurrir y atacar la superficie del aislamiento.

Puede ocurrir un deterioro permanente de fase a fase o de fase a tierra y

eventualmente la falla del aislamiento puede ser posible. La condensacin de la

humedad en la seccin de la ranura puede provocar problemas si la mquina ha


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estado parada. El aceite tiende a disolverse, aflojar los componentes del sistema de

aislamiento y puede atraer polvo que reduce la transferencia de calor desde lasuperficie bobinada, reduciendo por lo tanto la vida del aislamiento. En mquinas

abiertas, el aceite, en combinacin con el polvo, puede tapar los pasos de aire y

causar sobrecalentamiento. Normalmente este es un mecanismo de falla muy lento

(un perodo de tiempo mayor de 5 a 10 aos), pero puede ocurrir en una proporcin

ms rpida en diseos de devanados con una tensin de voltaje mayor que 3

kV/mm.

2.4.8 Vibracin del Cabezal

Para encontrar las condiciones elctricas requeridas en mquinas de clase alto

voltaje, los fabricantes tienen que disear la mquina con largos cabezales. Estos

cabezales estn sujetados para fuerzas magnticas fuertes que pueden causar

vibracin en mquinas diseadas deficientemente.

Esta vibracin puede eventualmente llevar a crujidos en un futuro en los

conductores de cobre y a un recalentamiento local. Los efectos de la vibracin de

los cabezales son la abrasin en el bloque de montaje y la soltura de los bobinados

en la ranura. Si la vibracin de los cabezales es sospechosa, deber de utilizarse

un acelermetro para determinar su severidad. La inspeccin visual del bloque

puede indicar el movimiento en los cabezales. La vibracin del bobinado desgasta a

menudo el aislamiento del bloque de montaje y la posicin de las ataduras,

apareciendo con mayor frecuencia un polvo blanco a causa de los materiales

utilizados, este polvo no debe confundirse con la presencia de descargas parciales.

Una inspeccin visual muy completa confirmara la causa real si la descarga parcial

no ha sido detectada.


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Tabla N2. 7: Indicadores relevantes por vibracin de cabezal

Mecanismo

de fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Vibracin de

cabezales

Bloque de bobinas

suelto, polvo

blanco.

Acelermetro,

inspeccin visual

De alto voltaje con

brazos finales largos

2.4.9 Espaciado Inadecuado entre BobinasA fin de reducir el tamao de las bobinas/barras y ahorrar cobre o reducir prdidas,

los fabricantes ocasionalmente fallan en dejar el espaciado adecuado entre las

bobinas en los cabezales del devanado o en los buses anillo. Si usted tiene dos

componentes adyacentes de diferentes fases e insuficiente espaciado entre ellos,

es casi seguro que ocurrir una actividad de descarga parcial entre los dos. En

mquinas enfriadas con aire esto dejar como residuo un polvo blanco. Estas

descargas erosionarn lentamente el aislamiento y eventualmente la pincharn.

Cuanto ms cerca estn las bobinas o los componentes ms rpido se producir la

falla. Generalmente estas fallas de fase a fase toman aos en desarrollarse, pero

producen grandes cantidades de ozono en mquinas enfriadas por aire. La

combinacin de espacio inadecuado y ambiente de operacin contaminado puede

proveer un terreno frtil para la actividad de descarga parcial.

Tabla N2. 8: Indicadores relevantes por espacio inadecuado

Mecanismo de

fallaSntomas

Pruebas de

deteccin

Tipos de

aislamiento

Espacio

inadecuado

Descargas

parciales, polvo

blanco, ozono.

DP, inspeccin

visual.Enfriadas con aire.


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2.4.10 Calidad en la fabricacin original

El diseo y procesos empleados en la fabricacin original del aislamiento, puedentener una relacin causa efecto con su falla. El uso de altos gradientes de tensin y

el acomodo del conjunto ncleo-bobinas, en un volumen pequeo, facilitan la

generacin de DPs; ambas decisiones de diseo conducen a una alta probabilidad

de falla del aislamiento.

Huecos entre costados de bobinas y laminaciones del ncleo, producidos por una

VPI global, o huecos en el aislamiento principal, tambin conducen a la generacin

de DPs.

2.4.11 Fallas y fenmenos transitorios

Los cortos, rechazos de carga, sincronizaciones fuera de fase y fenmenos

resonantes de alta frecuencia, dan lugar a corrientes muy altas, que imponen

grandes fuerzas sobre las bobinas. Estas fuerzas afectan principalmente la sujecin

del devanado; sus efectos en los cabezales son: ruptura o aflojamiento de amarres,

fisuras o fracturas del aislamiento, deformacin de bobinas, entre otros.

Sus efectos en las ranuras del ncleo son: agotamiento del relleno ondulado,

aflojamiento de cuas, frotamientos de costados de bobinas con laminacin del

ncleo, prdida de pintura o cinta graduadora, entre otros.


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37

CAPTULO III

TEORA BSICA DE DESCARGAS PARCIALES

3.1 DESCARGA PARCIAL COMO UN SNTOMA

Tratar de evitar que los motores, generadores, transformadores y dispositivos de

conmutacin no fallen hace que usted conserve su empleo, siempre y cuando lo

logre con xito. Todo lo que usted debe hacer es descubrir la manera de detectar

que est ocurriendo una falla en el mecanismo y cun importante o urgente es el

problema. Las descargas parciales (DP) son un sntoma de varios problemas

causados por tensiones trmicas, mecnicas (vibracin y choque), elctricos

(voltaje), del medio ambiente y qumicas. Muy rara vez ocurre un slo factor aislado,

es decir que estas tensiones se combinan para provocar muy diversos procesos de

deterioro. Con el aumento en los niveles de tensin, la tasa de envejecimiento

aumenta. Monitorear las descargas parciales puede ser una adicin til a los

procedimientos de prueba e inspeccin de cualquier empresa. Las descargas

parciales no son solo un sntoma, sino que daa las resinas orgnicas en los

materiales aislantes. Afortunadamente, la mayora de los sistemas de aislacin del

devanado del estator para mquinas de ms de 2300 V contienen un material

resistente a las descargas llamado mica, por lo tanto la degradacin de la aislacin

es usualmente lenta. A causa de este lento proceso de envejecimiento tiene sentido

realizar monitoreos peridicos de la actividad de descargas parciales.


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La regla emprica respecto al lapso de tiempo entre la deteccin de las descargas

parciales y el dao debido a falla en el mecanismo es: 10 aos para mquinas > 18kV.

5 aos para mquinas de 13.8kV.

2-3 aos para mquinas de 6kV.

Varios meses para mquinas de 4kV.

3.2 CONCEPTO DE DESCARGA PARCIAL

Una descarga parcial (DP) de acuerdo a la definicin de la IEEE, es una descarga

elctrica o chispa que puentea (cortocircuita) solo parcialmente el aislamiento de un

conductor. Es decir la chispa se produce entre el conductor y el aislamiento y no

termina de descargarse hacia otro elemento conductor, de ah el trmino Parcial,

esto indica que no hay una ruptura del aislamiento, pues el resto del sistema

aislante puede seguir cumpliendo su funcin. Esto est en contraste con una

descarga llena que mide el hueco entre dos conductores, llamado de otra manera

falla de aislamiento.

3.3 UNIDADES DE MEDIDA DE DESCARGAS PARCIALES

Los pulsos DP se registran junto con sus diferentes parmetros de pulsos, como

son: magnitud, pulsos por segundo, fase y polaridad. No existe una unidad de

medida especfica para las descargas parciales, que como se sabe son pequeos

pulsos de corriente elctrica dentro del sistema aislante, sin embargo existen ciertas

unidades de medida que toman en cuenta los parmetros de las DP, las cuales han

ayudado mucho a la hora de presentar datos y describir patrones grficos.


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3.3.1 Magnitud

La magnitud de una DP est estrechamente ligada con el tamao de los agujeros olo que es lo mismo a la gravedad del dao del sistema aislante, esto quiere decir

que a mayor magnitud de DP, mayor es el tamao de los agujeros en el sistema

aislante. La unidad de medida ms aplicable para la magnitud de DP es el Mili

voltio (mV). La Figura 3.1 trata de explicar mejor este concepto.

Figura 3. 1: Magnitud de pulso de descarga parcial

3.3.2 Pulsos por Segundo (PPS)

Esta unidad est directamente relacionada con la cantidad de agujeros o lo que es

lo mismo, con la extensin del dao dentro del sistema aislante, representa el

conteo de pulsos en la unidad de tiempo, ver Figura 3.2.

Figura 3. 2: Cantidad de pulsos de descarga parcial


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3.3.3 Polaridad ngulo Fase

Esta medida tiene relacin directa con la ubicacin de los agujeros, es decir, el tipode dao. Respecto a la tensin de la red los pulsos DP que se agrupan durante el

semiciclo positivo de la tensin son de polaridad negativa y las DP originadas en el

semiciclo negativo, son de polaridad positiva, ver Figura 3.3.

Figura 3. 3: Polaridad de la descarga parcial

3.4 FORMACIN DE HUECOS

El primer paso de la mayora de los mecanismos de falla es la creacin de huecos

llenos de gas tal como se muestra en la Figura 3.4. Estos vacos son el resultado de

la degradacin de la resina impregnada, y puede estar interno al sistema de

aislamiento (deterioro trmico, ciclaje de carga, impregnacin inapropiada) o en la

superficie del bobinado (bobinas sueltas, deterioro semiconductivo o gradiente,

contaminacin, espaciamiento inadecuado). La vibracin de los cabezales y la

penetracin del objeto por un objeto extrao no desarrollan vacos en tal sentido;

estos dos mecanismos no pueden ser detectados mediante una prueba dedescarga parcial.


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Figura 3. 4:Localizacin de cavidades

3.5 DESCARGAS ELCTRICAS

Figura 3. 5: Tensin Elctrica en un Vaco entre bobina y ncleo

Una vez que se crea un vaco en la masa o en la superficie del aislamiento, se

crear una diferencia de potencial a travs de ese vaco. La magnitud de ese voltajedepender del voltaje aplicado, ide la capacitancia del aislamiento y del tipo de gas


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en el vaco; examinemos el siguiente criterio:

Un aislamiento impregnado con resina epxica de 5mm de espesor.

Una mquina de 13.8 kV, refrigerado con aire.

Un hueco areo vacio de 0,5 mm de espesor.

El voltaje que se desarrollara a travs del hueco (o vaco) se modelan en la Figura

3.5.

Capacitancia (C)=

donde

Para la resina epxica, r es aproximadamente 4.

As la capacitancia del aislamiento Cais=4 oA / dairy la capacitancia del vaco lleno

de aire Cair= oA / dair.

Ahora, desde que el voltaje divide a travs de circuito basado en el efecto divisor

del voltaje capacitivo, de la teora del circuito.

Vair=Cais

Cais +CairVaplicado

Sustituyendo Vair=

A/dais + A/dairVaplicado

Si asumimos que el rea de la seccin cruzada del aislamiento es igual al del vaco,

por cancelacin:

Vair=

/dais + 1/dairVaplicadoPara nuestro ejemplo: dais= 5mm 0,5mm = 4,5mm y dair= 0,5mm, y aplicando el

voltaje es 13,8 kV / 3 = 7962V, as:


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Vair= 4 /4,5mm4/4,5mm + 1/0,5mm

7962V =2450V a travs del vaco.

Una descarga solo puede ocurrir cuando la tensin elctrica (V/mm) excede el

punto de ruptura elctrica para el gas en el vaco, basado en la ley de Paschen, eso

es 3kV/mm para el aire y superior para el hidrgeno; en nuestro ejemplo la tensin

elctrica fue 2450V / 0.5mm = 4,9 kV / mm as el punto de ruptura elctrica

presurizada podra ocurrir en este caso.

Otros problemas adems del tamao del hueco, que puede afectar la tensin

elctrica en un vaco son: dimetro, el gas interno y presin, y la naturaleza de la

superficie en el vaco. El producto de la separacin del vaco y la presin del gas

establecen el voltaje necesario para producir una descarga, por ejemplo voltaje de

ruptura.

3.5.1 Propiedades Fsicas de las Descargas Parciales

Cuando la aplicacin de 50/60Hz aumenta sinusoidalmente, la aparente tensin

elctrica a travs del vaco aumenta hasta que alcanza 3kV/mm o el equivalente al

voltaje de ruptura en el vaco. El sobre voltaje es el estado en el cual el voltaje a

travs de un vaco excede el voltaje de ruptura requerido para el tamao del vaco y

el gas. Cuanto ms grande es el sobre voltaje, ms intensos los efectos de carga

espacial en el vaco. Aunque el vaco puede estar en un estado de sobre voltaje, la

ruptura no ocurrir hasta que un electrn libre (debido a la radiacin csmica o

natural) aparece dentro del hueco y desencadena una avalancha de electrones.

Esta avalancha es un flujo de electrones a travs del hueco que crea un pulso de

corriente de elevacin (unos pocos nanosegundos) muy rpida, llamado descargaparcial (DP).


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La dependencia en los electrones libres para que una descarga parcial se

establezca hace la ocurrencia de descargas parciales un evento estadstico y por lotanto no previsible. Una vez que se produce la ruptura, el voltaje a travs del hueco

colapsa a un voltaje de nivel suficiente para mantener la descarga. La mayora de

los instrumentos slo detectan el pulso inicial de ruptura. No ocurrirn ms

descargas detectables hasta que el voltaje del vaco se haya revertido en polaridad

y se haya establecido otra condicin de sobrevoltaje. Por lo tanto, (como se

muestra en la Figura 3.6) por cada vaco habr una Descarga Parcial detectable

ocurriendo dos veces en un ciclo de Corriente Alterna.

Figura 3. 6: Ocurrencia de las descargas parciales

3.5.2 Dependencia del Voltaje

La chispa (descarga parcial) no solamente es una indicacin de que existe un vaco

lleno de gas, y que un sntoma de deterioro existe, sino que tambin rompe las

uniones de carbono de las resinas orgnicas y acelera el envejecimiento. Dado que

la magnitud de la tensin de voltaje a travs del vaco depende del voltaje aplicado,


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muchas descargas parciales slo ocurren en bobinas de alto voltaje (final de lnea).

Las bobinas de final neutral no tienen la suficiente tensin de voltaje a tierra paraexceder el punto elctrico de ruptura del aire o el hidrgeno. Algunos vacos no

producen un pulso de chispa, pero en su lugar tienen caractersticas de luminosidad

y semi-luminosidad. Los detectores de vacos parciales ms convencionales no

detectan esta actividad. El modelo mostrado en la Figura 3.5 es un modelo

extremadamente simplista; la frecuencia y magnitud de la descarga en un vaco es

un fenmeno complejo que depende del tamao, forma, presin interna del gas, y

naturaleza de la superficie del vaco.

3.5.3 Forma del Pulso

El Pulso de una descarga parcial es unipolar con un tiempo rpido de elevacin y

una corta amplitud de Pulso. El perodo de oscilacin, los tiempos de elevacin y

las magnitudes de los subsecuentes picos varan para cada pulso. Estos dependen

de la geometra de la mquina, la ubicacin del pulso y los materiales de

aislamiento. Como las descargas parciales son efectivamente pulsos, producirn

energa a travs del espectro de frecuencia desde Hz a GHz. Adems de los pulsos

que producen chispas, hay tambin otros menos detectables en frecuencias ms

lentas provenientes de las colas inicas. Por lo tanto, es posible detectar actividad

de descarga parcial a travs de varias bandas de frecuencia con ventajas y

desventajas para cada una. Tambin significa que ningn instrumento puede

detectar toda la energa disipada debido a las descargas parciales.

Muchos aparatos para la deteccin de las descargas parciales slo detectan el

pulso inicial que tiene un tiempo de elevacin de 1-5ns. Basndonos en el tiempode elevacin, en una primera aproximacin, la frecuencia actual de un Pulso es:


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f = 1/T = 1/(4*tiempo de elevacin)

Por ejemplo, un pulso con un tiempo de elevacin de 3ns tendra un periodo T = 4 *3ns = 12ns, y una frecuencia, f = 1/T =1/12ns = 83MHz.

De esta manera, el rango de elevacin de 1-5ns corresponde al rango de frecuencia

de 50-250MHz.

3.5.4 Recorrido del Pulso

Una vez ocurrido el pulso, debe viajar a algn lugar para poder ser detectado por el

sensor. Los pulsos de alta frecuencia viajan a travs del devanado del estator en

tres formas diferentes: transmisin, acoplamiento capacitivo, y radiacin.

a) Transmisin

El mtodo ms ampliamente entendido y predecible para que un pulso viaje es

mediante la transmisin a travs de los conductores de cobre, similar a la seal de

potencia de 50/60Hz. Cuando los pulsos de alta frecuencia viajan como ondas de

transmisin, sufren severas distorsiones debido a la inductancia de las bobinas. La

inductancia de las bobinas del estator, que es una caracterstica normal y necesaria

para la produccin elctrica, es una propiedad que desarrolla un campo

electromagntico cuando impide cambios repentinos en la corriente. Aunque esto

tiene un efecto positivo en la seal de potencia de baja frecuencia de 50/60Hz,

disminuye los pulsos de alta frecuencia (50-250MHz) de descargas parciales. La

distorsin es atenuacin de la seal e incremento de los tiempos de elevacin

(reaccin a ms baja frecuencia). De hecho los pulsos se distorsionan al punto tal

de no poder ser reconocidos como descargas parciales de alta frecuencia, luego deatravesar slo algunas bobinas.


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A pesar de este fenmeno hay dos condiciones que hacen posible la deteccin de

la descarga parcial: primero, que el envejecimiento (por ejemplo el desarrollo demecanismos de falla) normalmente afecta en alguna medida a todas las bobinas; y

segundo que las descargas parciales slo pueden ocurrir cuando hay suficiente

voltaje a tierra para causar una ruptura elctrica del aire en el vaco. Este ltimo

aspecto slo ocurre en bobinas de alto voltaje (bobinas de final de lnea). De esta

manera la deteccin de descargas parciales en las bobinas de alto voltaje,

seguramente detectarn el envejecimiento tpico y hallarn las bobinas de ms

riesgo, por ejemplo las bobinas de alto voltaje. Lo que no puede detectarse a causa

de estas caractersticas de distorsin es un defecto excepcional en una bobina de

bajo voltaje.

b) Acoplamiento Capacitivo

A diferencia de la transmisin donde el pulso viaja a travs de un inductor, en el

acoplamiento capacitivo el pulso viaja a travs de los capacitores. Para la seal de

alta frecuencia el capacitor aparece como un corto circuito y permite que la

corriente pase a travs de l virtualmente sin impedimentos. Aunque esto sera

ideal para la deteccin de descargas parciales ya que viajaran sin ninguna

distorsin a travs del devanado, la prediccin de acoplamiento capacitivo es poco

prctica.

La magnitud del acoplamiento capacitivo depende de: el grosor del aislamiento, el

espacio de separacin y la integridad de la resina orgnica; todos los cuales

cambian constantemente con la temperatura, humedad y carga. De manera tal que

aunque nosotros sepamos que el acoplamiento capacitivo ocurre y podemosdetectarlo, no es posible predecir como un pulso puede acoplarse capacitivamente


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a travs del devanado. Sin embargo, una vez que el comportamiento se establece a

travs de pruebas empricas, ste puede ser monitoreado.

c) Radiacin

El ltimo mtodo que discutiremos mediante el cual viajan los pulsos, es la

radiacin: que ocurre cuando un pulso de alta frecuencia crea una onda que viaja a

travs de un medio. Este es el mismo fenmeno observado cuando escuchamos

esttica en nuestra radio porque pasamos por debajo de una lnea de energa. A

causa de esta caracterstica, una antena de radio-frecuencia ubicada en cercana

proximidad de una descarga parcial que tenga corona, detectar el disturbio. La

dificultad de usar este mtodo para monitorear descargas parciales es que, como

en la transmisin, el pulso se distorsiona muy rpidamente, perdiendo su identidad

como descarga parcial de alta frecuencia. De manera que, a fin de asegurarnos que

es la chispa de un vaco, usted tendra todava que monitorear a altas frecuencias y

muy cerca de la fuente de descargas parciales, que son las bobinas de alto voltaje.

3.5.5 Polaridad del Pulso

Modelar las caractersticas actuales de una descarga es difcil ya que las

dimensiones del vaco, el gas y la presin del vaco, la inductancia, capacitancia,

geometra, entre otros temas pueden afectar la magnitud y frecuencia del pulso. Sin

embargo, hay algunas caractersticas bsicas del pulso, que pueden ser predecidas

basadas en la ubicacin del vaco como se muestra en la Figura 3.7.


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Figura 3.7: Polaridad del pulso basada en la ubicacin del vaco

a) Vacos dentro del volumen de Aislamiento

Las mquinas que no han sido impregnadas apropiadamente o que han estado

funcionando por varios aos a altas temperaturas tienden a desarrollar vacos

dentro del aislamiento. Como se describi anteriormente, descargas parciales

ocurrirn a travs de ese vaco cuando la condicin de sobrevoltaje exista y un

electrn libre est presente. Una vez que ocurre la descarga parcial, el voltaje a

travs del hueco se estabiliza al nivel requerido para mantener la actividad de

descarga. Durante este proceso, las cargas dentro del vaco se redistribuirn de

acuerdo a la carga aplicada. Como el ciclo de Corriente Alterna revierte la

polaridad, estas cargas causarn otra condicin de sobrevoltaje en la polaridad

opuesta y entonces ocurrir otra descarga parcial. Si ambos lados del vaco tienenmateriales similares de aislamiento, entonces la distribucin de la carga ser igual

durante los ciclos positivo y negativo. En teora, como se muestra en la Figura 3.8

habr dos pulsos de descargas parciales observables en cada ciclo de Corriente

Alterna de igual magnitud y polaridad opuesta por vaco dentro de la masa del

aislamiento. Estos pulsos se agrupan en las posiciones clsicas de pulsos


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dependientes de fase a tierra, esto es, pulsos negativos a 45y pulsos positivos a

225con referencia al voltaje fase-tierra de 50/60 Hz.

Figura 3. 8: Vacos dentro del cuerpo de la aislacin

b) Vacos cercanos a los Conductores

Una mquina que frecuentemente se carga y descarga (ciclaje de carga) o que se

recalienta severamente, desarrolla vacos cerca de los conductores de cobre. Un

vaco entre el conductor de cobre y el aislamiento, exhibe un fenmeno diferente a

aquellos que se encuentran en la masa del aislamiento. Aunque los mecanismosbsicos de ruptura son los mismos, a causa de que los electrodos son de distintos

materiales, ocurre un predominio en la polaridad. La movilidad de los iones

positivos en la superficie del aislamiento es menor que la de los iones negativos en

la superficie del conductor. El resultado es el predominio de iones negativos

migrando a travs del hueco hacia la superficie positiva del aislamiento. En este

caso habr, usualmente, un predominio observable de pulsos de descargas


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parciales negativos agrupados a 45durante el cicl o positivo de Corriente Alterna,

como se muestra en la Figura 3.9.

Figura 3. 9: Vacos cercanos a los Conductores

c) Vacos Cercanos al Hierro del Ncleo

Bobinas flojas, cintas o pintura semiconductiva de baja calidad y problemas con la

interfase de graduacin/semiconduccin pueden causar descargas en la superficie

entre las barras del estator y el hierro del ncleo conectado a tierra, llamadas

descargas de ranura. Como con aquellas cercanas a los conductores de cobre,

estas descargas ocurren entre electrodos hechos de diferentes materiales. Aqu las

cargas positivas inmviles en el aislamiento y las cargas mviles negativas del

electrodo metlico a tierra hacen que los pulsos ocurran durante el ciclo negativo de

Corriente Alterna. Como el electrodo metlico est a tierra, los pulsos de descargas

parciales observables sern predominantemente positivos agrupadas a 225, como

se muestra en la Figura 3.10.


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Figura 3.10: Vacos cercanos a la Plancha del Ncleo

d) Descargas en los Cabezales

La contaminacin y/o el espaciamiento inadecuado en el rea de los cabezales, en

los buses anillo, o en los cables del motor pueden producir una actividad dedescarga parcial en estas reas. A diferencia de los pulsos descritos previamente

que son dependientes del voltaje fase-tierra, estos pulsos se basan en el voltaje

fase-fase. Aunque estos pulsos tienden a ser muy errticos, es posible, a veces,

distinguirlos de otros, observando su ubicacin con referencia al voltaje fase- tierra.

Tpicamente, a causa de la dependencia de voltaje de fase a fase hay un

desplazamiento de fase de 30 desde las posiciones clsicas, asociadas con pulsos

que son dependientes del voltaje fase-tierra, como se muestra en la Figura 3.11.

Los pulsos fase-fase tienden a agruparse a 15, 75, 195, y 255, basados en la

ubicacin de los pulsos y la rotacin de fase de la mquina. Algunas veces es

posible determinar cules son las dos fases involucradas, pero ms

frecuentemente, es difcil extraer esa informacin de los pulsos detectados, en

forma precisa.


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Figura 3. 11:Descarga en los cabezales


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CAPTULO IV

DETECCIN DE DESCARGAS PARCIALES

Cmo detectar las descargas parciales y slo las descargas parciales en las

mquinas. Saber que existen descargas parciales es una cosa, pero cmo

podemos detectarla? Ms importante an, cmo utilizar la informacin que usted

ha obtenido para comprobar la condicin de la mquina y por lo tanto realizar

cualquier mantenimiento y reparaciones que sean necesarias? para descargas

parciales; nosotros sabemos que la magnitud depende del tamao del hueco, que

la cantidad est relacionada con el nmero de vacos, y que algunas veces la

polaridad y la posicin de la fase pueden identificar la ubicacin de los vacos.

Ahora slo tenemos que fijarnos cmo detectar la magnitud, cantidad, polaridad y

posicin de la fase con referencia al voltaje fase-tierra de las descargas parciales

originadas dentro del devanado, sin detectar los pulsos de alta frecuencia de otras

fuentes.

La deteccin de las descargas parciales involucra la medicin de cuatro

caractersticas de los modelos de descargas parciales:

Magnitud de descargas parciales se refiere al tamao o volumen de los

vacos.

Conteo de Pulsos de descargas parciales se refiere al nmero de vacos

o defectos.


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Polaridad de descargas parciales se refiere a la ubicacin de los vacos

dentro de la masa del aislamiento. Posicin relativa al voltaje fase-tierra de las descargas parciales se refiere

a la ubicacin de los defectos tanto en la ranura como en los cabezales.

Los sensores de descargas parciales montados de manera permanente bloquean la

seal elctrica de Corriente Alterna, pero dejan pasar los pulsos de descargas

parciales de alta frecuencia. Durante el funcionamiento normal, un instrumento Iris

conectado a los sensores, separa el ruido y clasifica apropiadamente las descargas

parciales. El tipo de instalacin de sensores y el instrumento de prueba que se

utiliza dependen de la mquina o equipo a ser monitoreado.

4.1 SENSORES DE DESCARGAS PARCIALES

El primer paso hacia la deteccin de descargas parciales es el emplazamiento de

sensores en un lugar cercano a la fuente de las descargas parciales. Iris utiliza dos

tipos de sensores:

Acopladores capacitivos. Capacitores Epoxi Mica (EMC) para motores,

hidrogeneradores y pequeos turbogeneradores.

Acopladores de ranura del Estator (SSC) - para grandes turbos (>100MW).

4.1.1 Acopladores Capacitivos

Los acopladores capacitivos utilizados son 80pF +/- 3pF (Figura 4.1). Estos

acopladores bloquean la seal de 50/60Hz y pasan la seal de descargas parciales

de alta frecuencia, como se muestra en la Figura 4.2. Esto resulta obvio

comparando la impedancia de un capacitor de 80pF a una frecuencia de potencial

tpico (60Hz) a una frecuencia de tpica de descargas parciales (83MHz).


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XC(60 Hz) = 1/2(60)80pF = 33 M(alta impedancia- bloquea).

XC(83MHz)= 1/2(83M)80pF = 24(baja impedancia - pasa).

Figura 4. 1:Acopladores EMC

Figura 4. 2: Ubicacin del Acoplador Capacitivo

De apariencia y construccin elegantemente simples, estos capacitores de

acoplamiento son robustos y confiables, presentando mnimo riesgo para la

maquinaria en la cual se van a instalar. Estn fabricados con tolerancias elctricas


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mnimas y son libres de corona a niveles superiores de los voltajes que

normalmente se

diagnÓstico en lÍnea mediante descargas

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