caracterizaci´on del envejecimiento de los aislantes en m´aquinas

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
DOCTORADO EN INGENIERIA ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y AUTOMÁTICA
CARACTERIZACIÓN DEL ENVEJECIMIENTO
DE LOS AISLANTES EN MÁQUINAS
ROTATIVAS DE BAJA TENSIÓN
ANTEPROYECTO DE TESIS DOCTORAL
MARTA ARGÜESO MONTERO
Departamento de Ingenierı́a Eléctrica
Directores:
Dr. D. Javier Sanz Feito
Dr. D. Guillermo Robles Muñoz
Febrero 2005
Índice general
1. Introducción
3
1.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1.2. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2. Sistemas de aislamiento de las máquinas rotativas
5
2.1. Materiales aislantes para conductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.2. Materiales aislantes para ranuras y fases . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.3. Barnices y resinas de impregnación, relleno y acabado . . . . . . . . . .
7
3. Distribución de tensiones en máquinas alimentadas mediante PWM
9
3.1. Tensiones fase-fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3.2. Tensiones fase-neutro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.3. Tensiones entre vueltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4. Mecanismos de envejecimiento
14
4.1. Acumulación de carga espacial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
4.2. Descargas parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.2.1. Tipos de descargas parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.2.2. Métodos de medida de descargas parciales . . . . . . . . . . . .
18
5. Estado del arte
21
1
ÍNDICE GENERAL
2
5.1. Envejecimiento de aislantes en máquinas rotativas de baja tensión . . .
21
5.1.1. Influencia de la tensión pico-pico de alimentación . . . . . . . .
21
5.1.2. Influencia del tiempo de subida de la tensión de alimentación . .
22
5.1.3. Influencia de la forma de la onda de la tensión de alimentación .
23
5.1.4. Influencia de la frecuencia de la tensión de alimentación . . . . .
23
5.1.5. Influencia de la temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
5.1.6. Influencia de la humedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
5.1.7. Factores que afectan al PDIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
5.2. Utilización de las medidas de descargas parciales para predecir el
envejecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
5.3. Utilización de las medidas de carga superficial para predecir el
envejecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
6. Planteamiento y fases de la tesis
29
6.1. Revisión bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
6.2. Fase experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30
6.2.1. Desarrollo de una sonda de medida de DP . . . . . . . . . . . .
30
6.2.2. Caracterización de las señales de DP . . . . . . . . . . . . . . .
30
6.2.3. Experimentos de envejecimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
6.3. Análisis de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
6.4. Medios disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
6.5. Cronograma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
Capı́tulo 1
Introducción
Gran parte de la energı́a generada en el mundo es consumida por motores eléctricos
de diversos tamaños y configuraciones (alta, media y baja tensión, tanto AC como
DC). Durante años, cuando era necesario controlar la velocidad de giro del motor
en aplicaciones de baja tensión, se trabajó con motores de corriente continua. Por el
contrario, en aquellas aplicaciones donde la velocidad del motor era fija, se preferı́a
motores de inducción, debido a su bajo costo, alta eficiencia y pequeña necesidad de
mantenimiento comparados con los motores de continua.
Sin embargo, la disminución del coste de los componentes electrónicos permitió el
desarrollo de los convertidores DC/AC y AC/AC, que permiten variar la amplitud y la
frecuencia de la tensión de alimentación. De este modo, se ha ido generalizando el uso
de controladores de velocidad (ASD, Adjustable Speed Drives) para alimentar motores
de inducción.
Desde entonces, se ha observado que el uso de ASD ha disminuido notablemente
la confiabilidad de los motores, sobre todo desde la aparición de la tecnologı́a IGBT
(Insulated-Gate Bipolar Transistor, o transistor bipolar de puerta aislada), con la que
se obtienen frentes de subida de decenas de KV/µs y frecuencias de repetición de pulso
de hasta 20 kHz. Incluso ha habido casos de fallo de motores a las pocas horas de su
puesta en servicio.
Aunque con el aumento de la frecuencia de conmutación se consigue disminuir el
número de armónicos de baja frecuencia, mejorándose los problemas de vibración del
motor, aumenta el contenido de armónicos de alta frecuencia. Esto afecta a la forma
de onda de alimentación, que además se distorsiona debido a la diferencia entre las
impedancias caracterı́sticas del inversor, el cable y el motor. Como consecuencia, se
producen sobretensiones en los devanados del motor que causan descargas parciales,
principal causa del envejecimiento de los aislantes, y sobrecalentamiento de los mismos,
con lo que la vida útil del sistema aislante del motor disminuye notablemente.
3
1. Introducción
1.1.
4
Objetivos
A pesar de que en los últimos años se ha investigado activamente sobre el tema, es
necesario un mayor conocimiento del mecanismo de degradación de los aislantes, para
poder desarrollar nuevos materiales.
El objetivo de esta tesis es investigar los mecanismos de envejecimiento de los
aislantes de los devanados de este tipo de motores. Mediante ensayos de vida útil,
se pretende hallar un parámetro que permita relacionar sus cambios con el tiempo
de vida remanente del aislante. De este modo, serı́a posible plantear un sistema de
monitorización que sea capaz de predecir el envejecimiento de los aislantes de la
máquina.
1.2.
Estructura del documento
El capı́tulo 2 trata sobre los distintos componentes del sistema de aislamiento de
una máquina eléctrica rotativa. El siguiente capı́tulo está dedicado a analizar cómo es
la forma de onda de tensión que afecta a cada uno de estos componentes del aislamiento
cuando se alimenta la máquina mediante un convertidor PWM. Al someter a las
máquinas a estos esfuerzos adicionales se acelera su envejecimiento, que se produce,
como se explica en el capı́tulo 4, según dos mecanismos: acumulación de carga espacial
y descargas parciales. El capı́tulo 5 se dedica a exponer los principales resultados sobre
el tema descritos en la bibliografı́a y, por último, en el capı́tulo 6 se presenta el plan
de trabajo propuesto para el desarrollo de la tesis.
Capı́tulo 2
Sistemas de aislamiento de las
máquinas rotativas
Los devanados de rotor y de estator consisten en varios componentes, cada uno de
los cuales tiene su función. Principalmente, se puede hablar de los conductores, el núcleo
de hierro y el sistema de aislamiento. Esta tesis se centra en el sistema de aislamiento
del estator de máquinas de corriente alterna de baja tensión. Su mantenimiento resulta
más crı́tico que el del rotor [1], ya que por éste suelen circular corrientes continuas o
de muy baja frecuencia, en el caso de rotor devanado, o simplemente no existe sistema
de aislamiento, si se trata de un rotor de jaula de ardilla.
Las funciones principales del sistema de aislamiento [2] son:
aislar los conductores entre sı́ y respecto del núcleo
mantener los conductores en una posición fija
en algunos casos, prevenir el calentamiento de los conductores, permitiendo la
evacuación del calor
El sistema de aislamiento del estator de máquinas de baja tensión está constituido
básicamente por materiales orgánicos. El mantenimiento de los devanados del estator se
suele dirigir básicamente al ensayo de su sistema de aislamiento, por ser el componente
más expuesto a fallo.
En los devanados eléctricos se emplean diversos tipos de materiales aislantes,
caracterizados por sus propiedades mecánicas y por la temperatura máxima que pueden
soportar sin alterarse. Se pueden clasificar en uno de los siguientes tres grupos:
Materiales aislantes para conductores
5
2. Sistemas de aislamiento de las máquinas rotativas
6
Materiales aislantes para ranuras y fases
Barnices y resinas de impregnación, relleno y acabado.
2.1.
Materiales aislantes para conductores
Los conductores utilizados en los arrollamientos de una máquina eléctrica deben ir
recubiertos de un material aislante que soporte tensiones y temperaturas superiores a
las de funcionamiento. Entre los más utilizados destacan [2]:
Hilos o pletinas esmaltadas, es decir, recubiertas de una o dos capas de barniz
aislante de gran elasticidad y dureza, en el caso de máquinas de baja tensión.
Los más utilizados hoy en dı́a están realizados a base de poliéster, poliuretano,
poliamida y silicona.
Hilos o pletinas recubiertos, de alta resistencia térmica, cuando se trata de
máquinas de media tensión. En este caso, los conductores, desnudos o esmaltados,
son recubiertos de una o más capas a base de cintas de fibra de vidrio, poliéster
o poliamida, y también de mica, e incluso pueden estar tratados con resinas de
silicona y esmaltes de poliéster o de polietileno.
En este trabajo se van a estudiar principalmente los hilos esmaltados, que son los
más utilizados para máquinas de pequeña y mediana potencia, debido a su menor grosor
y a sus buenas propiedades térmicas. En este caso, se suelen utilizar un aislamiento de
poliamida-imida, o poliéster con recubrimiento de poliamida-imida.
Además, en los últimos años se han introducido nuevos materiales para hacer los
barnices resistentes a las descargas parciales (DP) y, por tanto, a la degradación que
éstas producen. Ası́, los nuevos hilos esmaltados contienen óxidos de metales, como
TiO2 o CrO2 .
2.2.
Materiales aislantes para ranuras y fases
Además del aislamiento propio de los conductores, dentro de la ranura existen [2]:
aislamiento entre conductores de una misma bobina
aislamiento entre bobinas situadas en la misma ranura, o entre cabezas de bobina
aislamiento de la ranura, que aı́sla del hierro todo el arrollamiento
2. Sistemas de aislamiento de las máquinas rotativas
7
cierre de ranura, que es un refuerzo mecánico, que impide que se salgan las bobinas
una vez introducidas en la ranura
El corte transversal de una ranura de este tipo se puede ver en la Figura 2.1. En
general, en cada ranura hay dos bobinas, normalmente de fases diferentes. Por tanto, el
aislamiento de fase es el que separa las dos bobinas. Habitualmente, se utiliza papel de
aramida, comercializado por Dupont con la marca Nomex. Dependiendo de la tensión
a la que trabaje la máquina, este papel tendrá entre 0.1 y 0.5 mm de espesor. Otro
material que se usa normalmente es el Mylar o Dacron, que tiene una mejor resistencia
mecánica que el Nomex. El mismo material se utiliza como aislamiento de ranura.
Figura 2.1: Esquema del aislamiento en una ranura de estator [2].
2.3.
Barnices y resinas de impregnación, relleno y
acabado
La mayorı́a de los devanados de estator de máquinas de baja tensión son revestidos
por una capa de barniz o resina una vez que la bobina ha sido insertada en la ranura.
De este modo, se consigue un aumento en sus propiedades dieléctricas y mecánicas,
ası́ como de la resistencia a la contaminación y la humedad. Además, teniendo en
cuenta que las DP que dañan el aislamiento de conductor se producen en los huecos
que quedan entre ellos, el relleno mediante barniz adquiere un papel crı́tico.
La NEMA (National Electrical Manufacturers Association) define un barniz
para aislamiento eléctrico como una solución de resinas naturales o sintéticas y
2. Sistemas de aislamiento de las máquinas rotativas
8
modificadores, que se transforman debido a una acción quı́mica, formando una pelı́cula
tras la evaporación de los disolventes.
En la actualidad, los materiales usados con este fin son poliamida y poliimida, como
barnices, y poliéster y epoxi como resinas.
Según el método de aplicación, los barnices se pueden clasificar en [3]:
1. Barnices de secado al aire, que suelen estar elaborados a base de resinas sintéticas,
se emplean en reparaciones de las máquinas.
2. Barnices de secado al horno se emplean para la impregnación de toda clase de
máquinas eléctricas, una vez que han sido devanadas.
Capı́tulo 3
Distribución de tensiones en
máquinas alimentadas mediante
PWM
Los controladores de velocidad emplean diferentes técnicas para suministrar al
motor la forma de onda de tensión requerida. Entre ellas, la modulación por ancho
de pulso (Pulse Width Modulation, PWM) es una de las más usadas, gracias al
desarrollo de los IGBTs. Este dispositivo puede alcanzar frecuencias de conmutación
muy elevadas (hasta de 20 kHz), consiguiendo reducir las pérdidas por conmutación.
Ası́, se logra suministrar una tensión libre de armónicos de baja frecuencia, responsables
de las oscilaciones de par y de velocidad. Sin embargo, esto conlleva la generación de
armónicos de alta frecuencia, que causan una distribución desigual de tensiones.
La forma de onda generada por un convertidor PWM no es senoidal, sino que
consiste en una serie de pulsos de la misma amplitud, con una anchura modulada
mediante diferentes métodos. Las ondas caracterı́sticas resultantes se muestran en la
Figura 3.1. Los parámetros que se deben ajustar son los siguientes:
La frecuencia de los pulsos, que viene dada por la frecuencia de conmutación de
los dispositivos electrónicos que forman parte del convertidor.
La frecuencia de cambio de polaridad, que se determina a partir de la velocidad
deseada en el motor.
La amplitud de cada pulso, que es constante y determinada por el nivel del
circuito intermedio de continua.
El ancho de los pulsos, que está determinado por la tensión de salida deseada:
cuanto más ancho sea el pulso, mayor será la tensión de salida media.
9
3. Distribución de tensiones en máquinas alimentadas mediante PWM
10
Figura 3.1: Tensiónes fase-neutro y fase-fase a la salida del inversor [4].
Cuando se conecta un motor a la salida de un inversor, se observan sobretensiones
seguidas de oscilaciones en los terminales del motor. Esto es debido a que el devanado
de una máquina está formado por una serie de bobinas, cada una de las cuales se
puede modelar como una resistencia con una inductancia en serie con un condensador
en paralelo, y que, por tanto, tiene caracterı́sticas similares a una lı́nea de transmisión.
Si existe un desajuste de las impedancias caracterı́sticas entre el motor, el cable y
el inversor, y se transmiten señales escarpadas, pueden aparecer reflexiones de onda.
Esto provoca oscilaciones y la amplificación de los picos de tensión que aparecen en los
terminales de la máquina. Su amplitud depende de la longitud del cable y del tiempo
de subida de los pulsos, pudiendo incluso llegar a ser doble cuando la impedancia de
entrada del motor es considerablemente mayor que la impedancia caracterı́stica del
cable [5].
En los siguientes apartados se expone cómo es la forma de onda que soportan los
distintos componentes del sistema de aislamiento del motor.
3.1.
Tensiones fase-fase
La Figura 3.2 muestra las tensiones medidas a la salida del inversor y en los
terminales de un motor [6]. Las sobreoscilaciones que aquı́ aparecen son debidas, como
se indicó previamente, a un desajuste entre las impedancias del motor, el cable y el
inversor.
3. Distribución de tensiones en máquinas alimentadas mediante PWM
11
Figura 3.2: Tensión fase-fase (a) a la salida del inversor, (b) en los terminales del motor
[6].
La magnitud de la sobretensión depende de la longitud del cable que une el inversor
y el motor y del tiempo de subida de los pulsos del inversor [7]. En la Figura 3.3 se
observa que se puede llegar a doblar la magnitud de la tensión de los pulsos de salida
del inversor. Es cierto que esta sobretensión se produce sólo durante un breve periodo
de tiempo, pero se repite durante miles de veces por segundo. Esto contribuye a la
aceleración de la degradación del aislante, sobre todo si se supera la tensión de aparición
de descargas parciales o PDIV (Partial Discharge Inception Voltage).
3.2.
Tensiones fase-neutro
El aislamiento de ranura aı́sla todo el devanado del núcleo de hierro, que está puesto
a tierra por motivos de seguridad. Como se puede observar en la Figura 3.4, la tensión
que soporta este aislamiento está constituida por una secuencia de pulsos bipolares de
ancho modulado. También están sometidas a sobretensiones y oscilaciones debido al
desajuste entre las impedancias del cable y del motor.
3. Distribución de tensiones en máquinas alimentadas mediante PWM
Figura 3.3: Tensión pico-pico (pu) vs. longitud del cable y tiempo de subida [8].
Figura 3.4: Tensión fase-neutro [9].
12
3. Distribución de tensiones en máquinas alimentadas mediante PWM
3.3.
13
Tensiones entre vueltas
La diferencia entre la tensión fase-neutro de dos vueltas que queden adyacentes es
la tensión que debe soportar el aislamiento entre vueltas.
En las máquinas de baja tensión (menor de 1000 V) el devanado del estator se
fabrica con hilos de sección circular, rellenándose la ranura de forma aleatoria.
En este tipo de devanados, la distribución de tensiones entre vueltas es muy desigual
ante un frente de onda escarpado. A medida que se transmite a lo largo del devanado,
la forma de onda atenúa su frente de subida y suaviza las sobretensiones. De este modo,
pierde parte de sus armónicos de alta frecuencia que son filtrados por la inductancia
serie y la capacitancia paralelo que modelan el comportamiento del devanado a alta
frecuencia.
La mayor parte de la caı́da de tensión se produce en las primeras vueltas. En este
tipo de devanados es posible que la primera vuelta quede junto a una de las últimas,
llegándose a soportar, en ese caso, la máxima tensión en el aislamiento que separa
ambas vueltas.
En la Figura 3.5 se puede ver la tensión fase-neutro de dos vueltas adyacentes,
ası́ como la diferencia entre ambas, correspondiente a la tensión entre vueltas.
Figura 3.5: Tensión fase-neutro de dos vueltas adyacentes (V1 y V2) y tensión entre
vueltas (V1-V2) [6].
Capı́tulo 4
Mecanismos de envejecimiento
Según la norma IEC-60505 [10] se define envejecimiento como los cambios
irreversibles en las propiedades de un sistema eléctrico de aislamiento, debido a la
acción de uno o más factores de influencia.
Se habla de dos tipos de envejecimiento [11]:
Intrı́nseco, que se produce cuando la tensión de alimentación es menor que el
PDIV, o tensión de aparición de descargas parciales. En ese caso, se produce
inyección y desplazamiento de carga, por lo que resulta interesante conocer los
mecanismos de acumulación de carga espacial. Esto puede causar un aumento
local del campo eléctrico, que lleva a la degradación del aislante, debido a
la generación de DP causada por la disminución del PDIV, o a la ruptura
dieléctrica. Además el tiempo de subida de la tensión aplicada influye en la tasa
de envejecimiento.
Extrı́nseco, que se produce a tensiones superiores al PDIV y que, por tanto, es
debido a las DP. En ese caso, el envejecimiento es independiente del tiempo de
subida y de la forma de onda. Los factores influyentes son la magnitud de la
tensión, la frecuencia, y la polaridad de los pulsos.
En los siguientes apartados, se van a estudiar los fenómenos asociados a cada uno
de estos dos tipos de envejecimiento: la acumulación de carga y las descargas parciales.
4.1.
Acumulación de carga espacial
El término carga atrapada se refiere a la carga acumulada en un material aislante con
respecto a las condiciones neutras [12]. En general, no se tiene en cuenta la acumulación
14
4. Mecanismos de envejecimiento
15
de carga en el diseño de sistemas de aislamiento, considerando que éste se comportará de
forma ideal y la carga sólo estará presente en los electrodos.
Sin embargo, se ha observado que la acumulación de carga es un fenómeno que
ocurre tı́picamente en materiales sometidos a campos eléctricos elevados [13] [14].
Esta acumulación de carga puede hacer que aumente el esfuerzo eléctrico al que están
sometidos los materiales poliméricos, acelerando su envejecimiento.
Las cargas espaciales pueden aparecer en un aislamiento debido a varios factores:
Inyección de carga desde los electrodos.
Disociación o ionización de moléculas del material.
Contaminación del ambiente.
Los electrodos pueden introducir tanto carga negativa (electrones) como carga
positiva (huecos). Este proceso depende de varias condiciones: material de los
electrodos, defectos superficiales, impurezas, etc.
La carga espacial se puede clasificar según sea su signo en relación con el signo del
electrodo más cercano [15]. Ası́, si éstos coinciden se habla de homocarga, que se suele
generar por inyección de carga. En ese caso, se reduce el campo eléctrico local cerca del
electrodo, pero aumenta en el interior del material. Si la carga tiene el signo contrario al
electrodo más cercano, se habla de heterocarga. Ésta se suele generar por la disociación
de iones que se produce al aplicar un campo eléctrico a un material. Estos iones se
desplazan hasta el electrodo opuesto, por atracción, donde pueden quedar atrapados.
Como consecuencia, aumenta el campo cerca de los electrodos, disminuyendo en el
interior del material. En la Figura 4.1 se muestra un esquema de la diferencia entre los
dos tipos de carga espacial.
Medida de la distribución de la carga espacial
Existen diversos métodos para la medida de la distribución de la carga espacial en
dieléctricos, destacando los métodos acústicos y los métodos ópticos [15].
Los métodos de medida acústica de distribución de carga espacial en materiales
aislantes sólidos se basan en la propagación de una onda acústica a través del material.
Los principales son el PEA (Pulsed Electroacustic, o electroacústica pulsada) y el PWP
(Pressure Wave Propagation, o propagación de la onda de presión). En la actualidad
existen equipos comerciales que utilizan ambos.
Los métodos ópticos se basan en la aparición de birrefringencia por el efecto
4. Mecanismos de envejecimiento
16
Figura 4.1: Distorsión del campo eléctrico entre dos electrodos planos paralelos debido
a (a) inyección de homocarga y (b) inyección de heterocarga [15].
fotoelástico o el efecto electroóptico de Kerr, debido a una tensión mecánica interna en
un material sólido o lı́quido.
4.2.
Descargas parciales
De acuerdo con la norma UNE 21-313-85 [16] una descarga parcial es una descarga
eléctrica cuyo trayecto puentea sólo parcialmente el aislamiento entre conductores.
Desde un punto de vista práctico, cuando ocurre una descarga parcial se produce
un cambio rápido en la configuración del campo eléctrico, dando lugar a una corriente
que fluye en un conductor conectado al resto del sistema. Esto es lo que permite su
detección mediante métodos eléctricos.
4.2.1.
Tipos de descargas parciales
Se pueden distinguir tres tipos de descargas parciales:
Descargas internas, que son las que ocurren en huecos de sólidos, donde suele
haber gas.
4. Mecanismos de envejecimiento
17
Descargas superficiales, que son las que aparecen en las interfases de los
dieléctricos, cuando existe un campo tangencial.
Corona, que son aquellas que ocurren en puntas metálicas o en zonas con pequeño
radio de curvatura, en las que se produce una intensificación del campo eléctrico.
Descargas internas
Las descargas internas tienen lugar en huecos de dieléctricos sólidos, que aparecen
durante el procesado, y que suelen estar rellenos de gas. Para cada gas, la tensión a la
que ocurre la ruptura varı́a con la presión. Esto se representa por la curva de Paschen,
que se muestra en la Figura 4.2.
Figura 4.2: Curva de Paschen: Tensión de ruptura de una cavidad llena de aire [17].
Descargas superficiales
Las descargas superficiales ocurren en las interfases de los dieléctricos cuando existe
un campo eléctrico tangencial a éstas. La tensión eléctrica a la que aparecen este tipo
de descargas es relativamente baja. En la Figura 4.3 se muestra esta tensión en láminas
metálicas para atmósferas de aire y de aceite.
4. Mecanismos de envejecimiento
18
Figura 4.3: Descargas superficiales, en agua y en aceite en el extremo de una lámina
metálica [17].
Corona
Las descargas tipo corona son aquellas que ocurren en las puntas metálicas que se
encuentran en un campo eléctrico. Las tensiones de aparición de este tipo de descarga
se muestran en la Figura 4.4. El efecto corona es una fuente de interferencias cuando
se están realizando ensayos de descargas parciales. Por ello, se deben evitar puntas
metálicas en los electrodos de ensayo.
4.2.2.
Métodos de medida de descargas parciales
Las descargas parciales se miden fundamentalmente mediante métodos eléctricos,
aunque también existen métodos no eléctricos para su medida. Estos últimos no
permiten medidas cualitativas, y se basan en algunos fenómenos fı́sicos que acompañan
a la descarga.
Métodos eléctricos. Es el método más utilizado para detectar DP. Se basan en la
detección de la carga desplazada en cada descarga, utilizando un circuito externo
de medida, como se explica posteriormente.
Métodos no eléctricos, destacando, entre otros, los siguientes:
• Detección de ruido. Las descargas externas (descargas superficiales y corona)
producen ondas acústicas, que se pueden detectar mediante sensores de
4. Mecanismos de envejecimiento
19
Figura 4.4: Tensión de aparición de descargas parciales en función del radio de la punta
metálica [17].
ultrasonidos, que tienen un ancho de banda de hasta unos 30 kHz. Las
descargas internas también se pueden medir mediante este método, aunque
su detección presenta más problemas.
• Detección de luz. Se aplica a la detección de descargas externas, utilizando
fotografı́as con tiempos de exposición largos y pelı́culas sensibles.
Por ser los más utilizados en la bibliografı́a y los que se utilizarán en esta tesis, a
continuación se presentan brevemente los circuitos de ensayo utilizados en los métodos
eléctricos
Circuitos de ensayo en los métodos eléctricos de medida de DP
La norma UNE 21-313-85 [16] describe los circuitos de ensayo y medida que pueden
utilizarse en el ensayo de medida de descargas parciales. Las DP consideradas son
aquellas localizadas en medios aislantes, restringidas a una única zona del dieléctrico
de ensayo y que afectan sólo a una parte del aislamiento entre conductores. Las DP se
presentan generalmente bajo la forma de impulsos individuales, que pueden detectarse
como impulsos eléctricos en un circuito externo conectado al objeto ensayado.
Los circuitos de ensayo para medida de DP incorporan una impedancia de medida
conectada en serie entre el objeto de ensayo y tierra, o bien, entre bornes del objeto
4. Mecanismos de envejecimiento
20
de ensayo por medio de un condensador de acoplamiento adecuado. La mayorı́a de los
circuitos utilizados, se basan en uno de los esquemas representados en la Figura 4.5.
Figura 4.5: Esquemas de circuitos de medida de DP
Estos circuitos se componen principalmente de:
El objeto ensayado, que se representa como la capacidad Ca .
Un condensador de acoplamiento, Ck .
La impedancia de medida, Zm , el cable de conexión y el aparato de medida.
Una impedancia o filtro, Z, que a veces se añade para reducir las perturbaciones
generadas por la fuente de alta tensión.
Las descargas que se producen en el objeto de ensayo provocan transferencia de
carga al circuito de ensayo, que produce impulsos de corriente a través de la impedancia
de medida. Esta carga, conocida como carga aparente es la que realmente se mide, ya
que la carga real que se moviliza durante la descarga no es accesible. Se considera que la
carga aparente es aquella que, inyectada en bornes del objeto de ensayo, proporcionarı́a
la misma lectura en el aparato de medida que la descarga parcial propiamente dicha [16].
La calibración del equipo de medida proporciona la relación entre la carga aparente
medida y la carga real de la descarga.
Capı́tulo 5
Estado del arte
A continuación, se muestra una pequeña panorámica sobre las principales lı́neas
de investigación y las conclusiones más relevantes sobre el tema. En primer lugar, se
describirán las conclusiones principales a las que han llegado diversos autores sobre
qué factores influyen en el envejecimiento de los aislantes estudiados. Posteriormente,
se analizan los métodos de análisis de datos empleados para el estudio de las descargas
parciales y de la carga atrapada.
5.1.
Envejecimiento de aislantes en máquinas rotativas de baja tensión
Para evaluar cómo afectan los distintos factores al envejecimiento del material, se
llevan a cabo ensayos sobre distintos tipos de muestras: pares trenzados, pelı́culas finas
de materiales poliméricos, bobinas, etc, variando la forma y la magnitud de la onda de
tensión aplicada. La frecuencia también varı́a hasta llegar a la de conmutación de los
IGBTs. Además, en la bibliografı́a se encuentran resultados de ensayos realizados en
distintas condiciones ambientales (de temperatura y humedad).
5.1.1.
Influencia de la tensión pico-pico de alimentación
La bibliografı́a consultada coincide en que la magnitud de la tensión pico-pico
de alimentación tiene una gran influencia en la aceleración del envejecimiento de los
aislantes [18]. De hecho, algunos autores, Foulon [19] entre otros, proponen la siguiente
ley exponencial:
21
22
5. Estado del arte
N = V −n
(5.1)
que relaciona el número de pulsos hasta el fallo, N , con la tensión aplicada, V .
Figura 5.1: Resultados experimentales de la ley de envejecimiento del aislamiento entre
vueltas de un motor [19].
5.1.2.
Influencia del tiempo de subida de la tensión de
alimentación
De acuerdo con la norma IEC 62068-1 [18], el tiempo de subida de los pulsos de
la tensión de alimentación puede influir en el proceso de deterioro del aislamiento. Es
decir, cuanto menor sea el tiempo de subida, mayor será la tensión que existe entre
espiras adyacentes y, por tanto, menor será el tiempo de vida.
Sin embargo, algunos experimentos contradicen la afirmación anterior:
Foulon [19] y Kaufhold [20] estudiaron el número de pulsos hasta el fallo y
concluyen, cada uno por su parte, que no depende de la frecuencia del pulso
ni del tiempo de subida de la onda.
Lebey [21] estudió la influencia de la frecuencia de los pulsos y del tiempo de subida en aislamientos de epoxi mediante espectrocopı́a dieléctrica. Los resultados,
sin embargo, no permitieron relacionar el envejecimiento del aislamiento con el
tiempo de subida, la frecuencia y la polaridad de los pulsos. No obstante, afirma
5. Estado del arte
23
que existe influencia del tiempo de subida en la aparición de cargas atrapadas en
la superficie del aislante, que aparecen al aumentar la velocidad de subida [22].
Yin [5], por su parte, llega a una conclusión similar.
5.1.3.
Influencia de la forma de la onda de la tensión de
alimentación
La forma de onda (senoidal o cuadrada), de acuerdo con los resultados expuestos
por Bellomo [23] y Fabiani [6], no influye en el envejecimiento de los aislantes.
El efecto de la polaridad se estudió sometiendo al aislante a pulsos cuadrados
bipolares y unipolares, éstos últimos, positivos y negativos. La tensión cuadrada bipolar
acelera más el envejecimiento que la unipolar ([6], [20]). Además, el tiempo de vida es
menor con pulsos unipolares negativos [5]. Este fenómeno, se podrı́a explicar por la
diferencia en la formación de carga espacial.
5.1.4.
Influencia de la frecuencia de la tensión de alimentación
Varios autores han estudiado si la frecuencia de la tensión de alimentación influye
en su tiempo de vida. Según se ha visto previamente, el número de pulsos que puede
soportar un aislante es el que determina su tiempo de vida. Por ello, algunos autores
como Fabiani [6], incluyen la frecuencia como factor clave en el envejecimiento ya que
al incrementar la frecuencia el número de pulsos que soporta un aislante en un tiempo
determinado es mayor.
Sin embargo, otros autores han estudiado si el envejecimiento se acelera al cambiar
la frecuencia de los pulsos de la alimentación. Según Foulon [19] o Kaufhold [20] esto
no es ası́. Es decir, el envejecimiento no se acelera si el tiempo de descanso entre los
pulsos disminuye según se muestra en la Figura 5.2.
Yin [24], por el contrario, observó en uno de sus experimentos que, con ondas
cuadradas de un tiempo de subida de aproximadamente 83 KV /µs, existe una
frecuencia a partir de la cual el envejecimiento se acelera. Esto se observa en la Figura
5.3. En este caso, por debajo del punto de transición (5 kHz) el tiempo de vida es
inversamente proporcional a la frecuencia (L = B/f , siendo B una constante del
modelo), mientras que por encima aumenta el ritmo de envejecimiento (L = C/f 2 ,
siendo C una constante del modelo).
5. Estado del arte
24
Figura 5.2: Efecto de la frecuencia de los pulsos en el tiempo y número de pulsos hasta
la ruptura del dieléctrico (se representa el cuantil 63 % de una distribución de Weibull
con el 95 % de confianza) [20].
Figura 5.3: Tiempo de fallo en función de la frecuencia de alimentación, a 4 y 5 KV y
temperatura ambiente [24].
5. Estado del arte
5.1.5.
25
Influencia de la temperatura
A elevadas temperaturas, el envejecimiento eléctrico se incrementa [18]. El aumento
de la temperatura del aislante puede provocar el incremento de la permitividad
dieléctrica del material, ya que al tener las moléculas mayor movilidad pueden alinearse
con el campo eléctrico más fácilmente. Esto eleva el campo eléctrico en los huecos de
gas adyacentes, por lo que crece la actividad de DP. Este efecto se ve potenciado por
el incremento de la presión en el hueco de gas.
5.1.6.
Influencia de la humedad
La humedad del medio en el que se encuentra el material aislante puede alterar
la rigidez dieléctrica del aire, y por tanto la actividad de DP. Además, la humedad
puede alterar la conducción de cargas en la superficie del aislante, lo que afecta al
envejecimiento del material [18].
5.1.7.
Factores que afectan al PDIV
La tensión de aparición de DP (PDIV) determina la tensión a partir de la cual
aparecen DP en el aislamiento. Existen diversas hipótesis sobre cuáles son los factores
que influyen en el valor del PDIV para un material determinado.
Pfeiffer [25] ha estudiado la influencia en el PDIV de la temperatura y la humedad
conjuntamente. Parece que, aunque no existe influencia de estos dos factores con
tensiones de 50 Hz, cuando en la alimentación hay pulsos de alta frecuencia influyen
significativamente.
Fabiani [6] afirma que el principal factor que determina el PDIV es la carga
atrapada.
Por otro lado, Kaufhold [20] concluye que el PDIV disminuye si aumenta la
temperatura del ambiente o si disminuye el espesor del aislamiento (Figura 5.4).
5.2.
Utilización de las medidas de descargas parciales para predecir el envejecimiento
La técnica de medida de DP es un método generalmente aceptado para la detección
de defectos en dieléctricos. Sin embargo, es difı́cil definir niveles máximos admisibles de
5. Estado del arte
26
Figura 5.4: Efecto de la temperatura en la capacitancia y el PDIV [20].
DP, porque normalmente dependen del sistema de aislamiento. Además, la atenuación
y el ancho de banda del sistema de medida tienen una gran influencia en las magnitudes
obtenidas. Por otro lado, si se tienen datos sobre un sistema de aislamiento determinado
medido con un sistema de detección apropiado, se podrán identificar DP inusualmente
elevadas.
El grado de envejecimiento en el aislante podrı́a estar relacionado con la carga
implicada en cada DP. Según la norma IEEE 1434 [26], en medidas de DP durante el
funcionamiento de la máquina, los cambios en su magnitud pueden ayudar a identificar
la fuente de DP y la severidad del deterioro.
Los métodos clásicos [16] de análisis de datos de DP estudian la distribución
estadı́stica de la magnitud de las descargas y la fase del ciclo de alimentación en que
ocurren.
Sin embargo, algunos autores, [27], [28], proponen estudiar las caracterı́sticas no
periódicas de las descargas individuales. Ası́ se podrı́an describir qué cambios se
producen en los parámetros de los pulsos de DP, a medida que se envejece el material.
Los principales parámetros que se pueden estudiar al respecto se muestran en la Figura
5.5 y son los siguientes:
La altura del pulso
El tiempo de subida entre el 10 % y el 90 %
La anchura del pulso en el nivel del 50 %
5. Estado del arte
27
La anchura del pulso en el nivel del 20 %
Figura 5.5: Parámetros principales del pulso de descarga parcial [29].
Morshuis [29] afirma que se puede establecer una correlación entre la forma del
pulso y el estado del dieléctrico.
En este contexto, las ondı́culas, o wavelets, parecen ser una buena herramienta
para analizar señales no periódicas, ya que extraen las caracterı́sticas en el dominio del
tiempo y de la frecuencia.
Algunos autores, [28], [30], han estudiado la influencia de la geometrı́a del defecto
en la forma del pulso de DP, encontrando una correlación entre la altura de la cavidad
donde se producen las DP y la duración del pulso. En sus trabajos, se sugiere que
en futuras investigaciones se deberı́a estudiar los parámetros del pulso de DP, como
tiempos de subida y de bajada, amplitud, etc, y su cambio por efecto del envejecimiento.
Devins [31] expuso que la forma de los pulsos de DP depende en gran medida de la
longitud del hueco y de la diferencia entre la tensión en el hueco y el valor de la tensión
de aparición de DP. La amplitud del pulso aumenta con la tensión, mientras que las
dimensiones del hueco afectan a la duración del pulso.
5. Estado del arte
5.3.
28
Utilización de las medidas de carga superficial
para predecir el envejecimiento
La mayorı́a de la bibliografı́a consultada, [12], [13], [14], hace referencia a sistemas
de medida de carga superficial en cables y aislantes de alta tensión. Sin embargo, las
referencias que explican los métodos de medida, aclaran que pueden ser usados en
cualquier material donde se quiera investigar el proceso de transporte de carga, [15],
[32].
Fabiani, [6], [33], ha estudiado la relación entre la carga espacial y la actividad
de descargas parciales en hilos esmaltados, a los que se les aplicaron tensiones de
polarización durante un tiempo suficientemente elevado (3600 segundos). En su estudio
analizó materiales convencionales, ası́ como otros considerados resistentes a las DP.
Con esto, se pretendı́a estudiar el efecto de la acumulación de carga espacial debido a
los aditivos que se le añaden a los esmaltes para soportar la alimentación PWM. Estos
aditivos (óxidos inorgánicos, antioxidantes y otras impurezas) pueden constituir puntos
adicionales de acumulación de cargas. Sus conclusiones indican que la medida de carga
espacial, o la conductividad, puede proporcionar información sobre cómo afectarán las
DP al material.
Otros autores [34] han estudiado el efecto de un impulso de tensión en la
acumulación de carga. Según sus observaciones teóricas y empı́ricas, la densidad de
carga superficial aumenta cuando disminuye el tiempo de subida del frente de onda.
Esto contradice el estudio de Fabiani [33] que muestra que los hilos esmaltados
acumulan carga cuando se someten a una tensión continua o unipolar, incluso de alta
frecuencia.
Capı́tulo 6
Planteamiento y fases de la tesis
La utilización de motores eléctricos accionados por convertidores electrónicos en
aplicaciones a velocidad variables se incrementa dı́a a dı́a. Esto supone someter al
aislamiento a sobretensiones repetitivas debido a flancos de subida extremadamente
rápidos. Si se supera la tensión de aparición de descargas parciales, el envejecimiento
del aislamiento se acelera. Por ello, el número de fallos de los motores eléctricos de baja
tensión en un tiempo corto de vida, ha aumentado drásticamente en los últimos años.
La objetivo principal de la tesis es desarrollar un sistema que permita predecir el
tiempo de vida útil del aislamiento del motor. Se partirá de la hipótesis de que las
caracterı́sticas de los pulsos de DP cambian a medida que el aislante envejece; según
lo expuesto en el capı́tulo anterior, algunos autores, [28], [29], [30], afirman que se
puede establecer una correlación entre la forma de los pulsos de DP y el grado de
envejecimiento del dieléctrico.
Para alcanzar este objetivo general deben cumplirse los objetivos que se indican a
continuación:
Desarrollar un sistema de medida de descargas parciales.
Determinar un parámetro medible de los pulsos DP que cambie con el
envejecimiento.
Determinar los factores que influyen en el envejecimiento del aislante.
El plan de trabajo propuesto para alcanzar los objetivos expuestos se enumeran en
el resto del capı́tulo.
29
6. Planteamiento y fases de la tesis
6.1.
30
Revisión bibliográfica
Se incluye aquı́ esta actividad, aunque ya se ha realizado una amplia búsqueda
que se cita al final de este documento. Sin embargo, la búsqueda bibliográfica es una
labor continua durante el desarrollo de la investigación, por lo que proseguirá hasta la
finalización de la tesis.
6.2.
Fase experimental
Este aspecto es una de las partes principales de la tesis. En la fase experimental se
estudiará cómo determinar el grado de envejecimiento de un material aislante mediante
la caracterización de los pulsos de descargas parciales que se generan en su interior. Para
ello, será necesario desarrollar un sistema de instrumentación adecuado para medir las
DP y un criterio de caracterización de DP.
6.2.1.
Desarrollo de una sonda de medida de DP
Actualmente, para la medida de DP se dispone en el Laboratorio de Alta Tensión
de un equipo comercial de medida, que analiza las DP de forma clásica. Es decir,
estudia la distribución estadı́stica de la magnitud de las descargas y la fase del ciclo de
alimentación en que ocurren.
Pero puesto que se pretende analizar la forma de onda de las descargas parciales, es
necesario disponer de una sonda para la adquisición de la señal en el osciloscopio. Para
ello, se ha trabajado en el desarrollo de una sonda basada en una bobina de Rogowski,
que aparece en la Figura 6.1.
Por otro lado, se dispone en el Laboratorio de Alta Tensión de varios transformadores de corriente [35] con un gran ancho de banda, como se requiere para medir
pulsos de alta frecuencia.
6.2.2.
Caracterización de las señales de DP
Para calibrar el sistema de medida de DP desarrollado es necesario caracterizar
los diferentes tipos de pulsos de DP. Para generar los distintos tipos de descargas
(descargas internas, descargas superficiales y corona) se emplearán electrodos con
diversas geometrı́as:
6. Planteamiento y fases de la tesis
31
Figura 6.1: Bobina de Rogowski
Geometrı́a punta-plano, para descargas tipo corona.
Geometrı́a plano-plano con una lámina de aislante, para descargas superficiales.
Geometrı́a punta-plano con una lámina de aislante que tenga un hueco interno,
para descargas internas.
Para analizar estas señales, y poder caracterizarlas, se usará la técnica matemática
de ondı́culas (o wavelets) que permite localizar señales de muy corta duración,
distinguiéndolas del ruido.
A partir de los resultados obtenidos, se podrá desarrollar adecuadamente el sistema
de medida de pulsos de DP.
6.2.3.
Experimentos de envejecimiento
Los ensayos de envejecimiento, que son bastante comunes en la bibliografı́a
consultada, proporcionan una base adecuada para la comparación de los resultados.
Los experimentos se realizarán sobre pares trenzados de hilos esmaltados de material
comercial, tanto convencionales, como resistentes a descargas parciales. Las probetas
para el experimento se prepararán de acuerdo a la norma EN 60851-5:1996 [36].
Además de registrar el tiempo de vida de cada muestra, se hará un registro periódico
de la forma del pulso de descarga parcial. Con esto, se pretende analizar la correlación
entre el grado de envejecimiento del aislante y los parámetros que caracterizan la
descarga parcial, según el criterio obtenido anteriormente.
Ası́ mismo, se medirán parámetros eléctricos que caracterizan al dieléctrico, como
son la permitividad relativa del dieléctrico, ², y la rigidez dieléctrica.
6. Planteamiento y fases de la tesis
32
Estos ensayos se realizarán a diferentes frecuencias de alimentación y variando el
tiempo de subida de los pulsos.
6.3.
Análisis de datos
A partir de los resultados obtenidos en la fase experimental se llevará a cabo un
análisis de los datos para determinar los mecanismos de envejecimiento de los materiales
estudiados. Para ello, se emplearán modelos estadı́sticos, como la distribución de
Weibull, y técnicas matemáticas, como las ondı́culas, que, según refleja la bibliografı́a
[28], [30], están teniendo un gran auge en los últimos años para el análisis de este tipo
de fenómenos.
6.4.
Medios disponibles
Para el desarrollo de esta tesis se dispone de la instrumentación del Laboratorio de
Alta Tensión, incluyendo:
Medidor de descargas parciales LDS-6
Control de tensión LD5
Osciloscopio Lecroy WavePro DSO
Electrodo de entrehierro ajustable que permite generar descargas parciales en
una muestra.
6.5.
Cronograma
En la siguiente tabla se muestra la planificación de actividades para la tesis,
especificada en trimestres:
33
6. Planteamiento y fases de la tesis
Activ.
Mar05
Jun05
Sep05
Dic05
Mar06
Jun06
Sep06
Dic06
Mar07
Jun07
6.1
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
6.2
6.2.1
6.2.2
6.2.3
6.3
Resultados
Índice de figuras
2.1. Esquema del aislamiento en una ranura de estator [2]. . . . . . . . . . .
7
3.1. Tensiónes fase-neutro y fase-fase a la salida del inversor [4]. . . . . . . .
10
3.2. Tensión fase-fase (a) a la salida del inversor, (b) en los terminales del
motor [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
3.3. Tensión pico-pico (pu) vs. longitud del cable y tiempo de subida [8]. . .
12
3.4. Tensión fase-neutro [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
3.5. Tensión fase-neutro de dos vueltas adyacentes (V1 y V2) y tensión entre
vueltas (V1-V2) [6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.1. Distorsión del campo eléctrico entre dos electrodos planos paralelos
debido a (a) inyección de homocarga y (b) inyección de heterocarga
[15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4.2. Curva de Paschen: Tensión de ruptura de una cavidad llena de aire [17].
17
4.3. Descargas superficiales, en agua y en aceite en el extremo de una lámina
metálica [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
4.4. Tensión de aparición de descargas parciales en función del radio de la
punta metálica [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
4.5. Esquemas de circuitos de medida de DP . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
5.1. Resultados experimentales de la ley de envejecimiento del aislamiento
entre vueltas de un motor [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
34
ÍNDICE DE FIGURAS
35
5.2. Efecto de la frecuencia de los pulsos en el tiempo y número de pulsos
hasta la ruptura del dieléctrico (se representa el cuantil 63 % de una
distribución de Weibull con el 95 % de confianza) [20]. . . . . . . . . . .
24
5.3. Tiempo de fallo en función de la frecuencia de alimentación, a 4 y 5 KV
y temperatura ambiente [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
5.4. Efecto de la temperatura en la capacitancia y el PDIV [20]. . . . . . . .
26
5.5. Parámetros principales del pulso de descarga parcial [29]. . . . . . . . .
27
6.1. Bobina de Rogowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
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