Pruebas de aislamiento motores baja tension

Pruebas de aislamiento para
motores eléctricos de baja
tensión
Presentado por:
Oscar Núñ
ez Mata, Ing.
Núñez
[email protected]
T. 8815 7166
Contenido:
„
„
„
„
„
„
Materiales aislantes.
Clases de aislamiento.
Vida útil del aislamiento.
Fallas de aislamiento.
Pruebas e interpretación de
resultados según estándar IEEE
43-2000:
- Seguridad ocupacional.
- Condiciones de las pruebas.
- Medidor de aislamiento
- Otras pruebas.
Programas de mantenimiento
predictivo.
1
Breve reseña histórica
El motor de inducció
inducción fue
desarrollado en 1880 por
Nikola Tesla.
El principio de funcionamiento
se ha mantenido igual al
original.
El
motor
ha
presentado
cambios en:
Tamañ
Tamaño fí
físico: Má
Más HP por Kg.
Mejores caracterí
características de operació
operación:
Eficiencia, torque.
„Mejoras en su construcció
construcción.
„Diseñ
Diseños má
más simples: Jaula de Ardilla
por Rotor bobinado.
„Y mejoras en los materiales aislantes.
„
„
Establecimientos de
clasificación térmica:
„
„
„
En 1898 en Estados Unidos aparece la primera clasificació
clasificación
térmica de los materiales aislantes en motores,
generadores y transformadores.
En 1915, la IEEE de Estados Unidos define las clases de
aislamientos en A, B y C, segú
según los materiales aislantes
usados en el proceso de fabricació
fabricación del equipo.
En ese mismo añ
año, 1915, se establecen una serie de valores y
pruebas de HIHI-POT realizadas por las fabricas de motores.
2
Materiales Aislantes:
„
„
„
„
Definició
Un material que no conduce
Definición:
electricidad, o la conduce muy mal. Se asocia
esta caracterí
característica con la ausencia de
electrones
libres,
con
posibilidad
de
movimiento (Los metales tienen electrones
libres de movimiento).
No existe un conductor o un aislante perfecto.
Un metal conductor de electricidad supera a
un aislante, no conductor, en 1X1015 veces su
capacidad de conducir electricidad.
La capacidad de conducir electricidad no es
constante, depende de la temperatura.
Características de los aislantes
„
„
Rotura dieléctrica: Cualquier material
aislante sometido a un campo
eléctrico suficientemente intenso se
hace conductor.
Rigidez
dieléctrica:
El
campo
eléctrico máximo que puede resistir
un material sin que se produzca
rotura.
3
Rotura dieléctrica
Pueden darse
descargas o chispas
-Durante una rotura hay
una ionización parcial.
-Se da una conducción
eléctrica.
-Previo a la rotura existe
una
acumulación
de
moléculas en el material
las cuales son liberadas
luego de sobrepasar el
valor
de
rigidez
dieléctrica.
Ejemplo
„
„
„
„
„
El valor de rigidez dieléctrica se da
en V/m.
El aire seco: 800.000V/m.
Materiales
típicos
aislantes:
10.000.000V/m.
Si tenemos una capa de 0,0001m
(0,1mm) de este material.
Podría soportar máximo 1000V.
4
Barnizado de un motor
-Barniz: Es la primera capa de material
aislante.
Una fina película de barniz
cubre el alambre magneto, generalmente
son a base de polyester.
-Se aplica barniz adicional a la máquina,
con esto se busca obtener los siguientes
resultados:
™Entrelazar
el alambre entre si para
formar una masa sólida.
Barnizado
™
™
™
™
Reforzar
el
aislamiento
propio
del
alambre, el cual puede sufrir deterioro en
el momento de la manipulación y el
rebobinado.
Proveer resistencia química, a la humedad
y a la contaminación.
Prevenir la corrosión del núcleo laminado.
Rellenar las partes vacías de las ranuras, y
entre las capas de aislamiento, para
mejorar la transferencia de calor.
5
Materiales aislantes en máquinas:
Los aislantes buscan:
„Aislar las bobinas entre si.
„Aislar
las
bobinas
de
diferentes fases.
„Aislar
las bobinas de la
carcaza de la má
máquina (Se
conoce como aislamiento a
tierra o masa).
„Aislar
las lá
láminas del
núcleo magné
magnético.
Curado al horno:
Para que el proceso de
barnizado alcance todos los
puntos
anteriores,
se
recomienda un tiempo de
curado
segú
lo
que
según
especifique el fabricante, a
una temperatura dada, y en
hornos especiales para tal
propó
propósito.
Con circulació
circulación de aire y
extracció
de
gases
extracción
residuales del curado.
6
Continuación
Ademá
Además del barniz, la má
máquina elé
eléctrica incluye
los siguientes materiales aislantes:
„Papel base aislante.
„Papel intermedio aislante: Separadores, cuñ
cuñas
„Aislamiento en las conexiones:
Espagueti,
Cintas aislantes, cables de salida, terminales.
„Amarras.
Estos materiales son a base de:
Nomex,
Dacron, Mylar, Polié
Poliéster, Fibra de vidrio,
Melamina, Hypalon, EPDM, Algodó
Algodón, Mica.
Clases de aislamiento:
NEMA clasificó
clasificó el sistema de aislamiento de
las má
máquinas elé
eléctricas por su habilidad de
proveer
adecuada
resistencia
a
la
temperatura.
Se establece:
@Temp.
Total Sistema = Temp. Amb.
Amb. +
Levantamiento de Temperatura.
@Si la temperatura ambiente es mayor a 40°
40°C, se
debe solicitar un motor especial al fabricante.
@10°
10°C adicionales se permiten si el motor incluye
detectores de temperaturas dentro de su bobinado.
7
PLACA DE CARACTERÍSTICAS
En los estándares
NEMA e IEC las
placas
indican
la
clase de aislamiento
de la máquina.
Algunas indican el
levantamiento
permitido.
8
Clases de aislamiento:
Clase de
Grado
Temp.
aislamiento Protecció
Protección Amb.
Amb.
A
B
F
H
Incremento
de
temperatura
Tolerancia Temp. Total
de punto
Sistema
caliente
ABIERTO
40 ºC
50º
50ºC
15º
15ºC
105º
105ºC
CERRADO
40 ºC
55º
55ºC
10º
10ºC
105º
105ºC
ABIERTO
40 ºC
70º
70ºC
20º
20ºC
130º
130ºC
CERRADO
40 ºC
75º
75ºC
15º
15ºC
130º
130ºC
ABIERTO
40 ºC
90º
90ºC
25º
25ºC
155º
155ºC
CERRADO
40 ºC
95º
95ºC
20º
20ºC
155º
155ºC
ABIERTO
40 ºC
110º
110ºC
30º
30ºC
180º
180ºC
CERRADO
40 ºC
115º
115ºC
25º
25ºC
180º
180ºC
Vida útil del aislamiento.
-
Las pruebas de vida
del aislamiento según la
IEEE establecen un mínimo
de 100.000 horas de vida.
Estos
valores
se
reducen a la mitad por
cada 10°C de incremento
en
la
temperatura
de
operación del motor.
9
Efecto sobre el núcleo laminado
La limitació
limitación de la
temperatura
de
levantamiento
del
motor influye en la
vida del barniz de
naturaleza QUÍ
QUÍMICO
ORGÁ
que
ORGÁNICO
aíslan las lá
láminas
del nú
núcleo unas de
otras.
Acelerado deterioro del aislamiento
-En general, una operació
operación
libre de humedad y agentes
contaminantes asegura una
larga vida del motor, en
especial del aislamiento.
-Las propiedades originales
de los aislantes se ven
disminuidas en presencia de
agentes extrañ
extraños
-La escogencia del grado de
protecció
protección es importante
para asegurar la vida útil
del motor.
10
Causas eléctricas:
El aislamiento es diseñ
diseñado
para
una
particular
aplicació
aplicación. Sobre voltajes,
bajo voltajes, des balance
(pé
de
fase),
(pérdida
cortocircuitos,
voltajes
transitorios excesivamente
altos puede provocar la
ruptura del mismo.
Efecto de los variadores de
velocidad sobre el aislamiento:
„
„
El uso del transistor, como elemento de switcheo,
aumentó
aumentó en 10 veces la rapidez de respuesta de
los equipos empleados añ
años atrá
atrás, esto resultó
resultó
en un mejor desempeñ
desempeño del motor, como si
estuviera alimentado con una fuente senoidal.
Esto redujo significativamente el tamañ
tamaño de los
variadores.
Aparecieron nuevos problemas, como el estré
estrés
en el aislamiento del motor. Resultando en fallas
prematuras.
prematuras.
11
Partes de un variador:
Onda de entrada-salida:
VOLTAGE
BUS VOLTAGE
SINE WAVE
VOLTAGE
INVERTER VOLTAGE
TIME
12
IGBT
El uso de los IGBT´s disminuyó el ruido
producido en los variadores antiguos
(Frecuencias portadoras hasta 3.5 khz).
Esto trajo otros problemas:
1- El variador y el motor elevaron su
temperatura de operación.
2- Por los abruptos cambio de voltaje, los
bobinados se someten a un Stress, que
puede dañarlo.
Cambios abruptos:
La operación de un motor con una variador de
frecuencia es una condición más severa para el
aislamiento.
La generación de corrientes armónicas elevan la
temperatura en los bobinados.
El otro factor que aparece es la onda reflejada,
los cual es más problemático con distancias
entre motor-variador mayor a 15 metros y
voltajes de alimentación de 480 VCA.
Los picos de voltaje pueden llegar a 2 voltaje
de salida.
13
Ondas de salida
Continuación:
14
Causas mecánicas:
Excesivos arranques
y paradas.
Niveles altos de
vibració
vibración.
Deterioro de
rodamientos
(Provocan fricció
fricción).
Sobrecarga
mecá
mecánica del motor.
Otros.
1.
2.
3.
4.
5.
Cantidad de arranques:
POTENCIA
EN HP
2 POLOS
A
4 POLOS
B
A
6 POLOS
B
A
B
1
15
75
30
38
34
33
5
8.1
83
16.3
42
18.4
37
10
6.2
92
12.5
46
14.2
41
15
5.4
100
10.7
48
12.1
44
20
4.8
120
9.6
55
10.9
48
50
3.4
145
6.8
72
7.7
64
75
2.9
180
5.8
90
6.6
79
100
2.6
220
5.2
110
5.9
97
200
2
600
4
300
4.8
268
250
1.8
1000
3.7
500
4.3
440
A= Máximo número de arranques por hora.
B= Tiempo en segundos entre arranques sucesivos.
15
Ataque químico:
El efecto de vapores
corrosivos, polvo,
aceites (Grasas),
agua, puede ser
determinante para la
vida del aislamiento.
Causas térmicas:
Que un motor opere en
condiciones de excesivo
calor o frí
frío pueden causar
expansió
expansión o contracció
contracción
del aislamiento, lo que
puede
provocar
la
ruptura.
A menos que la má
máquina
esté
diseñ
para
esté
diseñada
operació
operación intermitente, el
efecto
de
sucesivos
arranques y paros será
será
acelerar el proceso de
deterioro, o arranques
severos.
16
Fallas de aislamiento:
TÉRMICOS
MECÁ
MECÁNICOS
Vibració
Vibración y Choque
MECANISMOS
ELÉ
ELÉCTRICOS (V)
MEDIO AMBIENTE
QUÍ
QUÍMICOS
¿Qué Efectos ocasionan Degradación?
Temperatura
El Voltaje
Vibració
Vibración
¿ CÓMO ?
+10°C
REDUCE LA VIDA (50%)
+1% Desb. V
REDUCE LA VIDA (10%)
AMPLITUD DE LA VIBRACIÓN
INCREMENTA LA ABRASIÓN
EXPONENCIALMENTE
17
Falla 1: Corto entre vueltas
Falla 2: Corto entre fases
18
Falla 3: Corto tierra tipo 1
Falla 4: Corto tierra tipo 2
19
Falla 5: Corto por alto voltaje
Falla 6: Pérdida de fase
20
Falla 7: Sobrecarga
Normas de seguridad:
Trabajo: Es el resultado de la
acción de las personas que
transforman o realizan
modificaciones en la
naturaleza para satisfacer
sus necesidades
PRODUCTIVIDAD
CALIDAD
SEGURIDAD
21
Seguridad ocupacional
FACTORES DE RIESGO
ELECTRICO
El peligro eléctrico puede
dar
lugar
a
choques
eléctricos, quemaduras o
electrocuciones y se origina
por el contacto directo con
electricidad, pudiendo ser
por una puesta accidental
de
la
corriente
o
relacionados
con
cortocircuitos
o
sobrecargas.
„
Prueba de Aislamiento
„
„
„
Es una prueba cuantitativa. Obtenemos una
medició
llamada
RESISTENCIA
DE
medición
AISLAMIENTO. Esta es funció
función del tipo y
condició
condición del material aislante.
El voltaje de prueba es aproximadamente el
de operació
operación normal.
Voltaje de prueba (IEEE Std. 4343-2000):
- <1000 VCA
500 VDC
- 10001000-2500 VCA 500500-1000 VDC
- 25012501-5000 VCA 10001000-2500 VDC
- 50015001-12000 VCA 25002500-5000 VDC
22
Megger:
La medición se toma en 60
segundos,
luego
de
alcanzar
el
valor
del
voltaje de prueba.
Puede realizarse en el
panel de arrancadores. Si
el valor obtenido no es
satisfactorio
se
debe
hacer directamente en la
caja del motor.
El Megger…
23
Componentes de la corriente:
La resistencia de aislamiento
se obtiene:
IR = V / I,
-V es el voltaje de prueba del
instrumento.
instrumento.
-I es la corriente que circula
por medio del aislamiento.
-I se puede separar en varios
componentes:
Itotal=Ifuga+ICapacitancia + IAbsorció
Absorción
Componentes de I:
-La I de Fuga es constante en el tiempo. Esta corriente
pasa a travé
través del material aislante. La presencia de
humedad, aceite o suciedad aumenta su intensidad.
-La I de Carga Capacitiva es debida a la geometrí
geometría
propia del bobinado, usualmente no afecta la medició
medición de
aislamiento por que desaparece en los primeros 60
segundos.
24
Continuación…
I de Absorción o corriente de polarización es
afectada por dos fenómenos.
La polarización de las moléculas de los
materiales de impregnación (Barniz), que tienden
a reorientarse en presencia del campo eléctrico.
Debido a las fuerzas moleculares este proceso
demora varios minutos.
El movimiento de electrones a través de
los materiales de aislamiento, los que usualmente
son detenidos en las capas exteriores.
Los materiales modernos de aislamiento tienen
corrientes de absorción bajas.
Megger:
„
Interpretación de los datos según
Estándar IEEE 43-2000 (40°C T. Amb.):
Mínimo valor
esperado M Ω
Equipo en prueba
kV + 1
Mayoría de motores hechos antes de
1970, y otros no descritos abajo.
100
Mayoría de DC armaduras y motores AC
bobina preformada hechos después de
1970.
5
Mayoría de motores bobinado aleatorio y
preformado de menos de 1 kV.
25
Diferentes
puntos de
medición
Efecto de la temperatura:
La temperatura afecta directamente el
valor
obtenido
de
resistencia
de
aislamiento .
La resistencia de aislamiento cambia
inversamente con la temperatura. La
resistencia baja cuando su temperatura
aumenta.
En los aislantes, un incremento en la
temperatura aumenta la energí
energía té
térmica y
se liberan cargas adicionales
que
conducen, con esto se reduce la
resistencia. Todos los componentes de la
corriente I se ven afectados, menos la I de
Carga Capacitiva.
26
Corrección de temperatura:
Fórmula de correcció
corrección
La correcció
corrección puede ser hecha usando la ecuació
ecuación:
Rc=
Rc=Kt * Rt
Donde:
Rc=Resistencia
Rc=Resistencia de aislamiento corregida a 40°
40°C.
Rt=Resistencia
Rt=Resistencia de aislamiento medida a una
temperatura T.
Kt=factor
=factor
de correcció
Kt
corrección
(40-T)/10
Kt=(0.5)
Kt=(0.5)
Ejemplo: 100 MΩ
MΩ a 30°
30°C, corregirlo a 40°
40°C.
Rc=100
Rc=100 MΩ
MΩ * (0.5) (40-30)/10
Rc=100
Rc=100 * (0.5) 10/10 = 100*0.5=50 MΩ a 40°
40°C
Recordemos…
Estimación de la temperatura del bobinado:
Th=[ (Rh/Rc) x (K+Tc) ] – K
Th es la temperatura luego de alcanzar el equilibrio
térmico.
Tc es la temperatura antes de operar.
Rh resistencia óhmica luego de alcanzar el equilibrio
térmico.
Rc resistencia óhmica antes de operar.
K es una constante, para el cobre de 234.5
27
Para medir resistencias bajas:
Se usa el método de 4 puntas:
2 amp
28
Método de 4 puntas:
Ejemplo gráfico:
Medida vs. Corregida Resistencia de
Aislamiento
1200
Megaohms
1000
MEDIDA
800
600
400
CORREGIDA
200
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Medición
29
Prueba de aislamiento por
incremento de voltaje
-Se
espera
que
al
incrementar el voltaje la
corriente también aumente,
permaneciendo la resistencia
de aislamiento prácticamente
constante.
-Cualquier desviación podría
significar defectos en el
aislamiento.
-En bajos voltajes es posible
no observar defectos.
-Con
el
incremento
del
voltaje se puede alcanzar el
punto donde la ionización
inicie y la resistencia tiende a
caer.
Prueba de Hi – Pot (Alto potencial)
Es una prueba cualitativa que indica si el aislamiento
pasa o no pasa a un voltaje determinado, muy
usado en control de calidad.
Es una herramienta útil para probar la resistencia de
aislamiento a tierra.
Los está
estándares NEMA MGMG-1 e IEEE 4343-2000
recomiendan los siguientes voltajes de prueba:
1.V prueba 1 = 2 x V operació
operación + 1000
2.Para motores nuevos y rebobinados:
rebobinados:
V prueba 2 = V prueba 1 x ( 1.2 ó 1.7 )
30
Índice de polarización PI
-La prueba del INDICE DE POLARIZACIÓ
POLARIZACIÓN (PI) ayuda a
determinar la condició
condición del aislamiento.
aislamiento.
PI= IR @ 10 min. / IR @ 1 min.
-Mide el tiempo requerido por las molé
moléculas del aislamiento
para polarizar (Alinearse) y resistir el flujo de corriente.
-La primera figura muestra las molé
moléculas desorientadas. Al
aplicar voltaje las molé
moléculas se orientan para evitar el flujo
de corriente.
-Aplicable a motores 150HP o má
más.
Índice de polarización
31
Absorción dieléctrica:
Motores menores a 150 HP conviene hacer esta
prueba:
AD= IR @ 60 seg.
seg. / IR @ 30 seg.
seg.
Tambié
También recomiendan hacerla a 3 min/1
min/1 min
Con esta prueba se obtiene:
obtiene:
„ Condició
Condición del estado del aislamiento.
„ Detecció
Detección de humedad.
humedad.
Es fácil de hacer con un megger.
megger.
Si en la medició
medición de aislamiento se obtiene un valor
mayor que 5000 Mohm,
Mohm, el IP o AD no es necesario
seguir con la prueba.
Interpretación:
Indice de Polarizació
Polarización
(PI)
Absorció
Absorción dielé
dieléctrica
(AD)
PELIGRO
< 1.0
PELIGRO
< 1.1
POBRE
1 a 1.4
POBRE
1.1 a 1.24
CUESTIONABLE
1.5 a 1.9
CUESTIONABLE
1.25 a 1.3
MINIMO
ACEPTABLE
2.0 a 2.9
MINIMO
ACEPTABLE
1.4 a 1.6
BUENO
3.0 a 4.0
EXCELENTE
> 1.7
EXCELENTE
> 4.0
32
PRECAUCIONES:
Las pruebas de IP o AD son difíciles de usar. Antes
de condenar un motor debido a esta pruebas se
debe tenerse claro:
1Los materiales aislantes polarizan o no?
2Está contaminado el motor: Agua, sucio,
aceite, químicos, etc.
3La prueba la estamos realizando en el panel
de arrancadores o directamente en el motor.
Pruebas de impulso:
Se basa en el principio
de comparación de dos
impedancias.
se descarga el voltaje
acumulado en un
condensador a través
del bobinado en prueba.
Esto produce un impulso
de voltaje que crece
rápido y decae rápido.
Los equipos de impulso
envían pulsos sucesivos
y muestran en las
pantallas cómo decaen.
33
Ejemplo de prueba
Impulso
La longitud de onda
es aprox.:
T α √LC, donde L es la
inductancia
del
bobinado
y
C la
capacitancia.
Pero L α N², así
así T α N,
donde N es el nú
número
de vueltas de la
bobina en prueba.
Cuando
bobinas
adyacentes
se
cortocircuitan,
el
número de vueltas se
reduce, entonces el
perí
período se reduce.
34
Otros resultados:
Corto a tierra
Bueno
Programas de mantenimiento
Un valor medido de aislamiento no da mucha
informació
Má
información.
Más bien se debe hablar de
TENDENCIAS en el tiempo.
El procedimiento debe ser:
„ Medir y anotar el valor de temperatura del
bobinado en prueba para hacer la correcció
corrección.
„ Medir y anotar la resistencia de aislamiento.
„ Graficar Resistencia VS tiempo (Se puede
hacer cada 6 seis meses).
„ Aná
Una caí
Análisis:
caída consecutiva de la
resistencia puede indicar que el aislamiento
está
está por dañ
dañarse.
35
Caída de la fuerza dieléctrica
Programa de mantenimiento:
Nivel aislamiento motor bomba 1 CCM
1200
Mohms
1000
800
600
400
200
0
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
Mes de prueba
36
Evolución de las lecturas
Resumen pruebas de aislamiento
Off Line
Prueba
Estándar
Qué mido?
Qué aplico?
Qué obtengo?
Resistencia con
puente Kelvin
IEEE 92
Balance resistivo
Corto franco
Automático
Diferencias < 5-10%
Aislamiento
con Megger
IEEE 43-2000
EASA AR-100
Salud del aislamiento
Contaminación
500VDC para motor < 1000VCA Mohm=1+KV, mínimo
@1 min. Debe corregirse por
100Mohm, mínimo
temperatura
Indice Polarización IEEE 43-2000
Absorción dieléctrica EASA AR-100
Deterioro y humedad
500VDC para motor < 1000VCA PI>2
PI=R(10´)/R(1´)
AD>1.6
AD=R(60s)/R(30s)
Hi Pot
IEEE 95-1977
EASA AR-100
NEMA MG-1
Rigidez dieléctrica entre 2*V + 1000
bobinas y masa
Pasa/No Pasa
Impulso
IEEE 522-1992
EASA AR-100
NEMA MG-1
IEC 34-15
Rigidez dieléctrica entre 2*V + 1000
vueltas (Fases, grupos,
bobinas)
Coincidencia de ondas
37
Pensamiento Final
LA MEJOR
RECOMPENSA
POR UN
TRABAJO
BIEN HECHO,
ES HABERLO
HECHO.
38