Prueba de Hi-Pot en CD en máquinas rotativas

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Diciembre 2015
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Prueba de Hi-Pot en CD en máquinas rotativas
Una de los ensayos aplicados a máquinas eléctricas rotativas es la prueba de alto potencial, o Hi-Pot del inglés high potential, para
evaluar la condición del aislamiento a tierra (o masa). Con esta prueba es posible evaluar máquinas nuevas (o sus partes), así como
analizar la condición del sistema de aislamiento cuando la máquina está en operación. La prueba de alto potencial en corriente directa
(Hi-Pot en CD) es una de las más usadas, algunas consideraciones revisaremos a continuación siguiendo la norma IEEE 95-2002.
Introducción
Se define Sistema de Aislamiento de una máquina eléctrica (o simplemente Aislamiento) a la configuración de electrodos
(conductores+carcasa) y materiales dieléctricos, destinados a sustentar cierto nivel de solicitación eléctrica. Para esto se distinguen dos
solicitaciones (1) distintas, estas son: i) Solicitación de Campo Eléctrico, relacionada con el efecto sobre el volúmen microscópico de los
materiales aislantes, y se toma en cuenta en el diseño de la máquina; y ii) Solicitación de Tensión, relacionada con la tensión aplicada al
aislamiento, se toma en cuenta en la instalación y en los ensayos sobre la máquina. Ambas se relacionan, esto es: para que un
aislamiento sustente con éxito la solicitación de tensión, es necesario que los microvolumenes que componen el sistema aporten
adecudamente en el trabajo dieléctrico (aislar). Es así como la máquina es sometida a distintos niveles de tensión durante su vida útil,
estos son: Tensión nominal, baja tensión y sobre tensión. Desde el punto de vista de las sobre tensiones, se clasifican según el tiempo de
exposión a éstas en las siguientes: Temporales (de algunos segundos), de Maniobra (de milisegundos), y Externas (de microsegundos).
Por medio de la Clase se establece el nivel de tensión característico de un aislamiento, con esto quedan establecidas sus niveles de
tensión nominales y extremos (sobretensión). En la historia de las máquinas eléctricas se reportan progresos en su sistema de aislación,
desde el punto de vista de solicitación térmica y de tensión, es así como se construyen máquinas con menos volumen, o más densidad
de potencia. La Fig. 1 ilustra lo anterior presentando el cambio en el espesor de la pared del aislamiento desde el año 1911 al presente.
Esto significa que hoy en día los materiales soportan más tensión con menos espesores que antes.
Como lo muestra la Fig. 1, la tendencia a reducir el espesor y el tamaño de los materiales aislantes utilizados en máquinas eléctricas
rotativas, conlleva una mayor solicitación en terminos generales a la máquina, en especial aquellas de media y alta tensión, o bien las
de baja tensión alimentadas por medio de variadores electrónicos de velocidad.
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El término solicitación se emplea en ingeniería para designar algún tipo de acción o fenómeno externo que afecta a una parte o a varios componentes del sistema, y
necesita ser tomado en cuenta en el momento de la selección de los materiales o pruebas.
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Fig. 1 Evolución del espesor del aislamiento
A continuación se revisa la teoría respecto de la prueba de Hi-Pot en CD en máquinas rotativas (Motores y Generadores).
Teoría de las Pruebas de Hi-Pot en CD
Cuando una tensión en CD se aplica al estator de una máquina rotativa, como lo muestra la Fig. 2, entre el bobinado y la carcasa
(tierra), se pone a prueba el aislamiento a tierra. Aparece una corriente I, en el rango de microamperios, que para esta prueba es
principalmente producida por 2 fenómenos: El primero se debe a la Corriente de Conducción y Corriente de Fuga, las cuales son
producidas por cargas que atraviesan el aislamiento, con ambas corrientes constantes en el tiempo, además dependen de: la
temperatura, la tensión de la prueba y la presencia de defectos. El segundo fenómeno se conoce como Corriente de Absorción, asociada
con un fenómeno llamado polarización, que tiene que ver con la orientación de las moléculas cargadas del aislamiento, organizadas
para enfrentar la tensión, y esta es función del tipo de aislante y decrece con el paso del tiempo. La Fig. 2 muestra un equipo de prueba.
Fig. 2 Configuración básica de una prueba de Hi-Pot en CD y equipo real de prueba
Durante la prueba se produce además una corriente de carga capacitiva, que es determinada por la capacitancia de devanado y la
velocidad de cambio de la tensión aplicada. Después de un tiempo de tensión aplicada la corriente de carga decae exponencialmente a
cero (en segundos). Por eso no se toma en cuenta durante la prueba.
La prueba de Hi-Pot en CD es una herramienta útil para detectar problemas en el sistema de aislamiento a tierra como grietas y fisuras,
humedad, separaciones de cinta, contaminación de la superficie conductora, ausencia de curado de epoxi, y delaminación interna en
sistemas de aislamiento mica/epoxi. La prueba es útil para descubrir las debilidades que pueden no ser necesariamente detectados en
procedimientos como de resistencia de aislamiento (IR) o índice de polarización (PI). Con esta prueba pueden encontrarse debilidades
que no permitirán soportar las sobretensiones transitorias que ocurren comúnmente en los sistemas de potencia industriales.
Es posible aplicar la prueba a bobinas y máquinas rotativas nuevas, lo que será una prueba de aceptación y control de calidad.
Preferiblemente, otras pruebas de diagnóstico - como IR o PI - deben preceder al Hi Pot. Sin embargo, es posible también aplicar la
prueba en rutinas de mantenimiento, que pueden asegurar la condición de las máquinas. Si una máquina no pasa la prueba,
generalmente indica que probablemente habría fracasado en el servicio (por ej.: durante un transitorio del sistema eléctrico). Por lo
tanto, el uso de la prueba en mantenimiento es de uso discrecional. Aunque se aclara que la prueba de Hi Pot en CD no degrada el
sistema de aislamiento. Se insiste que hay un pequeño riesgo de que un material en condición marginal (que habría funcionado durante
algún tiempo en servicio) puede ser perforado y fallar prematuramente mediante el uso de la prueba. Por ejemplo, un bobinado con
pobre aislamiento en las bobinas cerca del final del neutro puede operar en servicio durante algunos años, pero puede fallar en una
prueba de Hi-Pot.
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El concepto que está detrás de lo anterior es el de la confiabilidad, que tiene que ver con la probabilidad de que una máquina rotativa
realice su trabajo correctamente. Un aislamiento en condición marginal tiene baja confiabilidad.
Procedimiento de las pruebas de Hi-Pot en CD según IEEE 95
Con esta prueba, la carcasa del motor está conectado a tierra, y una tensión DC es aplicada gradualmente en incrementos de paso
hasta la tensión de prueba máxima recomendada por la norma IEEE Std 95 (Práctica recomendada para prueba de aislamiento de
máquinas CA con alto tensión directo). En cada paso hasta la tensión máxima, la corriente en microamperios se lee y grafica frente a la
tensión de prueba correspondiente. La forma esperada resultante debe ser una línea recta. La magnitud de la corriente y la pendiente
resultante de la línea es no es la única consideración. El criterio de importancia es que sea una línea recta, por ej.: Un repunte brusco en
la pendiente de la gráfica indica un defecto de aislamiento. La prueba debe ser de inmediato abortada para evitar exponer el devanado
a una falla. La máquina podría ser devuelta al servicio, pero se recomienda programar un reacondicionamiento o reemplazo lo más
temprano posible. En general se trata de una prueba PASA – NO PASA.
El conocimiento del comportamiento real de un manterial aislante ayudará al operador a detectar un punto antes de la rotura del
aislamiento. Para un aislante, cuando la tensión es aumentada, la corriente aumentará proporcionalmente. Sin embargo, justo antes
que el aislamiento presente rotura, la corriente aumentará más rápido que la tensión. En tensiones aún más altas, la corriente se
comporta aumentando más rápidamente. La clave para las pruebas de Hi-Pot es la búsqueda de la corriente que está creciendo más
rápido que el aumento en la tensión que se aplica al bobinado.
El primer paso para aplicar la prueba de Hi-Pot es seleccionar la tensión de prueba máxima según lo siguiente:
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Pruebas de aceptación en máquinas nuevas y rebobinados, ya sea en fábrica, en taller o en el campo. Para pruebas de
aceptación, el tensión de prueba en CD es 1,7 veces de 2E + 1000 V (E es la tensión línea-línea).
Prueba de mantenimiento en máquinas en servicio, la prueba se realiza al tensión DC de 65 - 75 % de 1.7 veces 2E + 1000 V.
La tensión de CD se aplica a las tres fases del devanado, aumentando lentamente a un pre establecido nivel de escalón de tensión, y se
mantiene durante un determinado período de tiempo. A continuación, se eleva al siguiente paso de tensión y se mantiene durante un
adecuado período de tiempo. Esto se continúa hasta que el objetivo se alcanza con la tensión de prueba máxima. Este es para asegurar
que las corrientes de carga capacitiva, de polarización se eliminan, y sólo permanece la indicación verdadera de la condición del
aislamiento a la tierra. Si en cualquier escalón de tensión la corriente (en el rango de μA) se eleva considerablemente, hay una
indicación de debilidades de aislamiento y la prueba debe ser detenida. Si la corriente aumenta de manera controlada, el aislamiento
de la máquina está en buen estado. La norma IEEE 95 sugiere las siguientes formas para aumentar la tensión de prueba:
1. Escalones de tensión uniformes: implica la aplicación de la tensión en una serie de pasos uniformes, en intervalos de tiempo
regulares. La lectura de corriente se toman al final de cada intervalo. El primer paso es de 10 minutos y se utiliza para medir el
índice de polarización y establecer si el devanado es adecuado para la prueba de Hi Pot. Los pasos de posteriores no deben
superar el 3% del nivel de tensión final y debe ser mantenido por un período de un minuto antes de proceder al siguiente paso. Los
ajustes a la tensión de cada paso debe hacerse dentro de los primeros 10 segundos. Para máquinas antiguas se sugiere un
intervalo de 3 minutos debido a la lenta reacción de la corriente de absorción.
2. Curva de tensión: La idea es ajustar la tensión de acuerdo con un esquema de tiempos cada vez menor por lo que el componente
de absorción de la corriente no se considera. El procedimiento de prueba puede resumirse como sigue: El escalón inicial de
tensión es de 30 % de la tensión máxima de la prueba, se aplica y mantiene durante 10 min (Se registran corriente a 0.5, 0.75, 1.0,
1.5 y 2.0 min, y de seguido cada minuto hasta 10 min. La prueba continua con pasos de tensión hasta el valor máximo.
3. Rampa de tensión: La principal ventaja de la prueba de rampa de tensión sobre los otros métodos es que da un mejor control y
aviso de fallo inminente, para evitar daños en el aislamiento. Se aplica un aumento lento y continuo en la tensión aplicada,
típicamente 1 ó 2 kV/minuto, que es menos propenso a causar daños impredecibles al aislamiento. Algunos equipos comerciales
permiten la programación automática de la rampa. La aplicación de un voltaje en rampa, en lugar de pasos de tensión discretos,
hace un mejor manejo de las componentes capacitivas y de absorción. Cualquier variación en la velocidad de aumento de la
tensión puede reducir la precisión de los resultados, así que una tensión de alimentación estable y bien regulada es esencial.
Al término de la prueba, la tensión de salida de suministro debe reducirse a cero. Pero la eliminación de la fuente no
eliminará la carga almacenada en el bobinado. El devanado no es seguro hasta que haya sido completamente descargado y
sólidamente aterrizado. Existe peligro por un período de tiempo indeterminado. Después de que el control de la tensión de
alimentación se ha reducido a cero, el devanado debe descargarse a tierra a través de una resistencia. Una vez que ha sido
totalmente descargado el devanado debe ser sólidamente conectado a tierra. La conexión a tierra se debe mantener en su
lugar por un tiempo considerable para evitar daños.
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