Experiencias prácticas usando baja tensión en el diagnóstico del aislamiento de máquinas rotativas
Fabian Öettl
OMICRON Technologies Italia GmbH Bruneck
Víctor Lozano
OMICRON Technologies España, S.L.
Boris Battle
OMICRON Technologies España, S.L.
ABSTRACT
Las máquinas rotativas son un componente vital, tanto en la generación de energía como en la producción industrial. Fallos inesperados en estos activos pueden generar altos costes por pérdida de producción e indisponibilidad de las máquinas. Por lo tanto, el conocimiento del estado de la máquina evita fallos prematuros o inesperados.
En este paper compartimos nuestra experiencia de más de 10 años en diagnóstico del aislamiento, usando bajas tensiones de prueba (hasta 200V), para ello mostraremos dos interesantes ejemplos. El estátor de un pequeño hidrogenerador de 6kV y un generador eólico de 12kV. En el primer ejemplo se trata de una vieja máquina con varias décadas de servicio y un defecto conocido. El segundo ejemplo muestra un sistema de aislamiento en buenas condiciones.
Las medidas prácticas con DIRANA muestran que los defectos se pueden detectar de forma fiable con 200V o incluso con menor tensión, utilizando la comparación fase a fase, la tendencia a lo largo del tiempo y/o el enfoque de tensión de escalón con 50 y 200V. El defecto fue visible en CC, así como en la respuesta dieléctrica (TangD) sobre un amplio espectro de frecuencia realizado en el mismo ensayo.
Adicionalmente, se mostrarán los valores de resistencia de aislamiento en un devanado en buenas condiciones, indicando los mismos resultados, independientemente si es medido con 5kV o con 200V.
Palabras clave:
Medida de resistencia de aislamiento, máquinas rotativas, analizador de respuesta dieléctrica, Medida PDC, Tan(δ) y Capacidad
1. INTRODUCCIÓN
La espectroscopía del dieléctrico en el dominio del tiempo y de la frecuencia es una reconocida y útil herramienta para el diagnóstico eléctrico del sistema de aislamiento. La medida de corrientes de polarización y depolarización (PDC) son habitualmente usadas como medidas en el dominio del tiempo, mientras que en el dominio de la frecuencia, la capacidad y la tangente de delta se miden en un amplio rango de frecuencias. La respuesta dieléctrica del aislamiento de la máquina se ve afectada por una variedad de parámetros, como el grado de envejecimiento, la contaminación y las condiciones ambientales. [1]
El analizador DIRANA es una potente herramienta de análisis de la respuesta dieléctrica para llevar a cabo estas pruebas. Más de diez años de experiencia en campo demuestran que los defectos y la contaminación pueden detectarse de forma fiable usando una tensión de prueba de 200V, ya que la medida es suficientemente sensible.
2. OBJETOS DE PRUEBA
A modo de ejemplo, en este artículo se presentarán dos casos con máquinas en diferentes condiciones.
2.1. Generador eólico
La primera máquina se trata de un estátor con una tensión nominal de 12kV, clase de aislamiento tipo F y fabricado en el año 2020. En la Figura 1 se muestra la máquina.
Figura 1: Generador eólico
En esta máquina no se existían ensayos previos disponibles, pero tuvimos la oportunidad de comparar los resultados con otros dos medidores de aislamiento a 5kV.
2.2. Hidrogenerador
La segunda máquina se trata de un pequeño hidrogenerador de 5MVA y una tensión nominal de 6,4kV. El estátor se puede ver en la Figura 2 durante las labores de mantenimiento.
Figura 2: Hidrogenerador
El estátor fue fabricado a principios de los años 80 y estuvo en servicio por varias décadas. En este caso disponemos de medidas previas para su comparación (2012).
3. CONFIGURACIÓN DE MEDIDA
El equipo de medida dispone de un canal de salida con tensión variable desde 0,1 V a 200 Vpico (AC y DC), con una corriente máxima de 50 mApico y un rango de frecuencia desde 10 µHz hasta 5.000 Hz. También es incluida una salida de CC para las medidas PDC. Dos canales de medida y unos accesorios completan la solución integral. Como todos los circuitos son independientes de tierra, el dispositivo permite la inyección por el chásis de la máquina. Una gran ventaja es que las medidas pueden ser tomadas por los dos canales simultáneamente, si la estrella de la máquina puede ser abierta. El principio de conexión se explica en la Figura 3, donde la conexión amarilla indica la inyección y la roja y azul indican los dos canales de medida independientes.
Figura 3: Configuración de medida y principio de conexión. La línea verde indica la conexión de guarda integrada
Este escenario reduce una tercera parte del tiempo de medida. Adicionalmente, el tiempo de depolarización sólo es necesario realizarse en una ocasión, entre las dos medidas PDC, ya que en el primer ensayo se miden las fases U y V y en el segundo se mide la fase W.
El equipo DIRANA aplica 200V en el modo PDC, donde la tensión de polarización es aplicada por 10min y a continuación es medida la corriente de depolarización por 2 minutos. En el gráfico se muestran los datos de 600 segundos para una mejor visualización. Por supuesto, el equipo puede parar la polarización a los 600 seg.
El barrido en frecuencia de la Tan(δ) y Capacidad comienza en 1kHz y disminuye en pequeños pasos hasta 1mHz con una amplitud de 10 Vrms.
4. RESULTADOS E INTERPRETACIÓN
4.1. Generador eólico
Las medidas realizadas en el generador muestran idéntico comportamiento en las tres fases durante todo del ensayo, tanto en el dominio del tiempo (Figura 4) como en el de la frecuencia (Figura 5).
La resistencia de aislamiento de las tres fases a 60 seg. se encuentra en el rango de 22,9 GΩ y 24,4 GΩ y entre 206 GΩ y 250 GΩ
a los 600 seg, lo cual indica que se trata de un devanado sano y con valores típicos de máquina nueva. Además, presenta un índice de polarización (IP) entre 8,7 y 10,4.
Figura 4: Medidas PDC de los tres devanados independientes
Adicionalmente, las medidas en el dominio de la frecuencia confirman la buena condición del sistema de aislamiento de la máquina. La Figura 5 muestra la completa superposición de las tres gráficas, indicando que no existe desviación de ninguna de ellas. El valor de Tan(δ) @ 50Hz, por ejemplo, es de 0,76 %, mostrando también que se trata de un valor típico según el fabricante para este tipo de máquinas
Figura 5: Medidas de Tan(δ) y Capacidad en el barrido en frecuencia. Resultados de las tres fases en el mismo diagrama
La comparación entre dos medidores de aislamiento @ 5kV confirma los resultados del DIRANA y certifica la buena condición del devanado.
Además, esta comparación clarifica que en un devanado en buenas condiciones, la magnitud de tensión de prueba no tiene influencia en los resultados.
Figura 6: Resultados de Resistencia de aislamiento obtenidos de los tres medidores, a distintas tensiones de prueba
4.2. Hidrogenerador
Más allá de la comparación fase a fase, también se realizaron comparaciones con las medidas históricas (ensayos previos). De esta forma, se pudo apreciar un problema en la fase W de este generador.
Comparación con ensayos previos
En la Figura 7 se muestran las medidas PDC de la fase W del ensayo realizado en el año 2012. Muestra una Resistencia de aislamiento de 55,22 GΩ @ 600 seg. y un índice de polarización (IP) de 5,6, la condición del aislamiento parece estar en buenas condiciones.
Figura 7: Medidas PDC en la fase W del año 2012
Comparando las medidas realizadas en el año 2012 con las últimas, realizadas aproximadamente 10 años después, se pueden apreciar las diferencias significativas en la Figura 8. Aunque el índice de polarización (IP) entre ambos ensayos no varía demasiado, las medidas de corriente muestran una variación muy significativa entre ambos ensayos, por lo que la máquina no fue puesta en servicio sin un análisis más profundo del aislamiento.
Figura 8: Comparación entre los dos ensayos (Fase W). Azul: Medidas del 2012; Rojo: Medidas del 2022
El mismo escenario fue observado en el dominio de la frecuencia. La Figura 9 muestra las medidas de Tan(δ) en los dos ensayos.
Figura 9: Tangente de Delta de los dos ensayos. Azul: Medidas del 2012; Rojo: Medidas del 2022
Más allá de cualquier otro problema crítico, un motivo que podría explicar esas diferencias sería un alto grado de contaminación en las cabezas de bobina, pero este no fue el caso, ya que esta parte fue documentada en ambos ensayos y en ambos presentaban un estado muy similar, por lo tanto, estas conclusiones fueron descartadas.
Comparación Fase – Fase
De forma similar que en el análisis anterior, la comparación Fase a Fase realizada en el año 2022 mostró que la Fase W se encontraba en condiciones críticas.
Ambos métodos, medidas PDC y barrido de Tan(δ) en frecuencia confirmaron las sospechas.
Figura 10: Comparación Fase a Fase en medidas PDC. Rojo: Fase W; Azul y verde: Fases U y V
Figura 11: Comparación Fase a Fase en medidas TangD. Rojo: Fase W; Azul y Verde: Fases U y V
Mientras que las fases U y V son prácticamente idénticas, la fase W es significativamente diferente que las otras dos. Las fases U y V presentaban valores muy similares en el ensayo del 2012.
Una comparación Fase a Fase permite una identificación fiable de problemas potenciales en una de las fases. Sin embargo, no siempre es posible abrir la estrella ni disponer de ensayos previos. En esos casos, se pueden realizar dos ensayos a distintas tensiones de prueba (ensayo de tensión de escalón).
Ensayo de tensión de escalón
Este ensayo se basa en el hecho de que un aislamiento en buenas condiciones presenta una linealidad entre dos ensayos realizados a distintas tensiones de prueba. Esto es válido, por supuesto, en un rango de tensiones. Se pudo ver este hecho en el apartado IV, entre 200V y 5 kV CC.
En este ejemplo, los escalones de tensión son más pequeños, 50 V y 200 V y también se pueden observar falta de linealidad en la Tabla 1. Especialmente en la capacidad a bajas frecuencias, en la Resistencia de aislamiento y en el índice de polarización entre las dos medidas.
Tabla 1: Resultados de los dos ensayos a distintas tensiones
De nuevo, el problema no es solo detectable en las medidas PDC, sino también en los valores de Tan(δ) y Capacidad. Especialmente las bajas frecuencias son muy importantes en este caso, ya que los defectos son visibles con anterioridad. La Figura 12 muestra las diferencias entre las medidas a distintas tensiones de la fase W, mucho más visibles en bajas frecuencias. La Fase U es también graficada, pero comparadas ambas gráficas, se ven perfectamente solapadas.
Figura 12: Resultados de Tangente de Delta en el ensayo de tensión de escalón. Azul: Fase W @ 200 V; Rojo: Fase W @ 50 V y Fase U comparando los resultados a las mismas tensiones de escalón
Causa raíz del problema
La causa raíz del problema fue una carbonización, la cual fue confirmada con ensayos en alta tensión (AC) para este propósito. Se trata de un problema no reversible, y por lo tanto, el operador de la máquina consideró que el posible daño del ensayo con una fuente externa era mucho menor que la tensión durante la operación. Como la máquina se encontraba fuera de servicio y sin rotor, la máquina pudo repararse sin mucho esfuerzo. Es importante mencionar que el ensayo DIRANA no reemplaza a los ensayos convencionales (AC), como pruebas de rigidez, Tangente de Delta @ AT o Descargas Parciales, pero aporta una rápida, sencilla y fiable evaluación del aislamiento de la máquina.
5. CONCLUSIONES
Se ha podido ver que el ensayo DIRANA proporciona unos resultados muy sensibles y que permiten una fiable evaluación del estado del aislamiento de las máquinas rotativas. Es sencillo discernir cuando un aislamiento se encuentra en buenas condiciones, como cuando presenta unas condiciones críticas.
Además, se confirma que se obtienen los mismos resultados usando 5kV y sólo 200V, en un aislamiento en buenas condiciones. Adicionalmente, el equipo tiene la gran ventaja de medir con dos canales de medida en paralelo, de tal forma que proporciona un ahorro en el tiempo de prueba (un tercio del tiempo).
Tanto las comparaciones Fase a Fase, como la del histórico de pruebas, son unas potentes herramientas para evaluar la condición del aislamiento. Mediante un ejemplo se ha podido observar que comparando dos pruebas con índices de polarización muy parecidos, sin embargo el aislamiento se encontraba en condiciones críticas.
Gracias a la precisión del equipo, pueden ser realizados ensayos de tensión de escalón con baja tensión, por ejemplo, 50 y 200V para detectar problemas potenciales.
REFERENCIAS
[1] R. Soltani, E. David and L. Lamarre, “Impact of Humidity on Dielectfic Response of Rotating Machines Insulation System” IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. I7, No. 5; October 2010
