Practicas recomendadas por IEEE para la prueba de Resistencia de Aislamiento para máquinas rotativas IEEE- 43-200 Índice 1.1.- Prólogo 1.1.1.1.- Panorama 1.2.- Propósito 1.2.- Propósito 2.2.- Referencias 3.3.- Definiciones 4.4.- Consideraciones de Seguridad. 5.5.- Resistencia de Aislamiento- Teoría General 5.1.5.1.- Componentes de medición por corriente directa 5.2.5.2.- Características de la medición por corriente directa 5.3.5.3.- Lecturas de la Resistencia de Aislamiento 5.4.-Lecturas 5.4.-Lecturas del índice de polarización 5.5.5.5.- Corriente de Descarga 6.6.- Factores que afectan a la resistencia resistencia de aislamiento 6.1.- Efectos 6.1.- Efectos de la condición de la superficie 6.2.- Efectos de la humedad 6.3.- Efectos de la temperatura 6.4.- Efecto de la magnitud del voltaje de prueba 6.5.- Efecto 6.5.- Efecto de la carga existente en la medida de la resistencia de bobinado 7.- Condiciones para la medición de la resistencia de aislamiento 8.- Conexiones 8.- Conexiones de bobinado para p ara pruebas de resistencia de aislamiento 9.-Métodos 9.-Métodos para medir la Resistencia Resistencia de Aislamiento 9.1.- Medición Directa
9.2.- Medición calculada. 10.- Precauciones 11.- Interpretación de los resultados de la prueba de d e aislamiento y polarización 11.1.- Monitoreando 11.1.- Monitoreando las condiciones de aislamiento 11.2.- ¿Idoneidad ¿Idoneidad de operación o continuar la prueba? 11.3.- Limitaciones 11.3.- Limitaciones de la prueba de d e resistencia de aislamiento 12.- Valores 12.- Valores mínimos recomendados de índice de d e polarización y resistencia de aislamiento. 12.1.- Valores mínimos. 12.2.- índice de Polarización 12.3.- Resistencia de Aislamiento Anexo A.- Variaciones en el índice de polarización Anexo B.- ¿Prueba ¿Prueba con Voltaje directo directo o alterno ? Anexo C.- Regulación de las fuentes de alimentación usadas en la medición de resistencias de aislamiento.
1.- PRÓLOGO 1.1.-PANORAMA Este documento describe procedimientos recomendados recomendados para la medición de la resistencia de aislamiento de los bobinados de armadura y campo en las máquinas rotatorias desde 1HP (750 w) a más. Se aplica a máquinas de inducción, síncronas, máquinas dc y condensadores síncronos. No se aplica a máquinas fraccionadas. Este documento también describe las características características típicas de la resistencia de aislamiento de los bobinados de las máquinas rotativas y como estas características indican las condiciones del bobinado. Se recomiendan valores mínimos aceptables de resistencia de aislamiento para los bobinados de máquinas rotatorias. Otras normas IEEE que incluyen información información de medidas de resistencia de aislamiento aislamiento están incluidas en el anexo 2 1.2.- PROPÓSITO El propósito de d e estas recomendaciones con los siguientes: a) Definir las pruebas de resistencia resistencia de aislamiento e índice de polarización de los bobinados de las máquinas máquinas rotativas. b) Revisar los factores que afectan o cambian las características de la resistencia de aislamiento. c) Recomendar las condiciones uniformes de prueba. p rueba. d) Recomendar métodos uniformes de medida de resistencia de aislamiento con precauciones para evitar resultados erróneos. e) Proporcionar una base para interpretar los resultados para evaluar la idoneidad del bobinado para servicio o para una prueba de alto voltaje. vol taje. En particular esta norma describe los problemas típicos de aislamiento detectados en la prueba de la resistencia de aislamiento f) Presentar valores mínimos aceptables de índice de polarización y resistencia de aislamiento para varios tipos de máquinas rotativas. 2.-REFERENCIAS Estas prácticas recomendadas pueden usarse junto con las siguientes publicaciones ASTM D1711 -99 Standard Terminologies Relating to Electrical Insulation IEEE Std 118-1978 IEEE Standard Test Code for Resistance Measurement Measurement
IEEE Std 432-1992 IEEE Guide for Insulation Maintenance for Rotating Electric Machinery (5 hp to less than 10000 hp) 3.-DEFINICIONES.Para los propósitos de estas prácticas recomendadas, recomendadas, se aplican los siguientes términos y definiciones: Corriente de absorción (polarización) (Ia).- Es la corriente resultante de la polarización molecular y la deriva electrónica, la cual disminuye con el tiempo desde la aplicación de voltaje. Depende del tipo y las condiciones del material adhesivo usado en el sistema de aislamiento. -Corriente de Conducción (Ig).- Es (Ig).- Es una corriente constante en el tiempo, que pasa a través del aislador desde el punto de d e referencia hasta el conductor de alto voltaje. Depende del material adhesivo usado en el sistema de aislamiento. Efecto electroendósmosis.electroendósmosis.- Es un fenómeno ocasionalmente observado; más frecuente en viejos bobinados, cuando en la presencia de humedad se obtienen diferentes valores de resistencia de aislamiento al invertir los terminales del medidor. Comúnmente, para viejos bobinados húmedos, la resistencia de aislamiento para polaridad inversa donde el terminal Tierra es conectado al bobinado y el terminal negativo se conecta a Tierra, es más alto que para la polaridad normal. Resistencia de Aislamiento (IRt).- Es la capacidad de aislamiento eléctrico de un bobinado de resistir una corriente directa. Es el cociente del voltaje directo aplicado con polaridad negativa a través del aislamiento, con una temperatura de 40 °C y durante un intervalo de tiempo (t) desde la aplicación del voltaje. Usualmente el tiempo de aplicación de voltaje es de 1min. ó 10 min. pero también pueden usarse otros valores. Convencionalmente, valores de 1 a 10 se expresan en minutos, valores de 15 min a más se expresan expresan en segundos. segundos. Corriente capacitiva geométrica (Ic).- Es (Ic).- Es una corriente reversible de comparativamente alta magnitud y corta duración, la cual disminuye exponencialmente con el tiempo de aplicación del voltaje. Depende de la resistencia interna de los instrumentos de medición y de la capacitancia geométrica del bobinado. Índice de Polarización (PI).- Es (PI).- Es la variación de la resistencia de aislamiento con el tiempo. Es el cociente del valor de resistencia de aislamiento en el tiempo t2 dividido entre la resistencia de aislamiento en el tiempo t1. Si los tiempos no están especificados se asumen como 10 min. y 1 min. respectivamente. respectivamente. Convencionalmente , valores de 1 a 10 se expresan en minutos, valores de 15 a más se expresan en segundos.
Corriente de Fuga Superficial (IL).- Es una corriente constante en el tiempo, la cual existe sobre la superficie de los bobinados del estator o entre los conductores expuestos y el cuerpo del rotor en un bobinado de rotor aislado. La magnitud de la corriente de fuga superficial depende de la temperatura y la cantidad de material conductivo, es decir la humedad y la contaminación en la superficie del aislamiento. 4.- Consideraciones de Seguridad.La prueba de resistencias de aislamiento implica el manejo de altos voltajes CD a los bobinados de las máquinas. Estos bobinados tienen propiedades capacitivas e inductivas que pueden tener algún riesgo. No es posible cubrir todos los aspectos de seguridad en este artículo. Solo se darán lineamientos generales. generales. Antes de realizar alguna prueba, el bobinado debe d ebe ser descargado. No es aconsejable comenzar la prueba antes que la corriente de descarga sea cero y que no exista un voltaje discernible de retorno retorno (menos de 20 voltios) después de retirar la tierra. tierra. Luego de realizada la Prueba, el bobinado debe ser descargado a través de una resistencia apropiada, calculada para limitar la corriente instantánea a 1 A. Se recomienda un tiempo de descarga mínimo igual a cuatro veces el tiempo de aplicación del voltaje. Este intervalo de tiempo está basado en las características resistivas resistivas (R), inductivas (L) y capacitivas (C) del circuito durante la carga (tiempo de aplicación del voltaje) y descarga (tiempo de finalización desde que se retiró la fuente de voltaje y se puso a tierra los bobinados bajo prueba). Es importante recordar que la prueba no está completa hasta que el bobinado esté descargado y no exista un voltaje vo ltaje apreciable. Se recomienda que la prueba de alto voltaje no se realice hasta que el bobinado esté totalmente descargado. Durante la prueba deben tomarse todas las precaucione de seguridad para voltajes. Para pruebas con voltajes de 5000V 5000V a más, el terminal entre el equipo y el bobinado bobinado debe estar bien aislado y separado de tierra. Además las corrientes superficiales de fuga y las pérdidas p érdidas corona, introducen errores durante la prueba. Por seguridad y para evitar medir corrientes aleatorias, los terminales deben ser apantallados. El acceso de personal al área de alto voltaje debe ser restringido. Se recomienda el uso de equipos de protección personal. Si fuera posible, el Neutro y los extremos de línea de cada bobinado deben conectarse juntos durante la prueba para disminuir el efecto de los picos reflejados de alto voltaje que pueden resultar de una falla de bobinado. Las medidas enumeradas aquí no son las únicas. Están para remarcar la importancia de los riesgos presentes. Es responsabilidad de los usuarios determinar los posibles
riesgos presentes en la prueba, proteger al personal de los daños y eliminar el riesgo de dañar el equipo. 5.- Resistencia de Aislamiento- Teoría General La resistencia de aislamiento aislamiento de los bobinados de una máquina rotatoria está está en función del tipo y condición de los materiales de aislamiento, así como de d e la técnica de aplicación. En general, la resistencia de aislamiento es directament d irectamente e proporcional al espesor del aislamiento e inversamente proporcional al área superficial del conductor. La interpretación de los resultados de la prueba de d e resistencia de aislamiento y los valores mínimos recomendados para el índice de polarización y la resistencia de aislamiento se discuten en en los Capítulos 11 11 y 12. 5.1.- Componentes de Medición por Corriente Directa Por definición, la resistencia de aislamiento aislamiento es el cociente entre el voltaje directo aplicado dividido entre la corriente total resultante resultante en un tiempo dado.la corriente total resultante (It) es la suma de cuatro diferentes corrientes: fuga superficial (IL), capacitancia geométrica (Ic), conductancia (IG), absorción (IA). Un circuito equivalente de las corrientes en una prueba de resistencia resistencia de aislamiento se muestra en la figura 1
Figura 1
La corriente de capacitancia geométrica (Ic) usualmente no afecta a las medidas, porque desaparece desaparece durante la lectura lectura en 1 minuto. La corriente de absorción (IA) o corriente de polarización disminuye en una relación decreciente. La relación corriente –tiempo –tiempo es mostrada mo strada en la Ecuación 1 =K
Ec.1
Donde IA:
Corriente de absorción
K:
Es una función del sistema de aislamiento y el voltaje aplicado
t:
Es el tiempo del voltaje directo aplicado
n:
Es función del sistema de aislamiento
La corriente de absorción tiene dos componentes. El primer componente es debido a la polarización de los materiales impregnantes porque las moléculas orgánicas tales como las resinas epóxicas, poliéster y otros tienden a cambiar de orientación en presencia de un campo eléctrico directo. Dado que estas moléculas se oponen a las fuerzas de atracción de otras moléculas, transcurren varios minutos después de aplicado el campo eléctrico para que las moléculas se reorienten y así la energía de polarización se reduce casi a cero. Un segundo componente es debido a la deriva gradual de los electrones e iones en los materiales orgánicos. Estos iones y electrones libres son atrapados por la superficie superficie de la mica empleada en los sistemas sistemas de aislamiento. Usualmente, para limpiar y secar máquinas rotativas se toma entre 30 seg. y unos pocos po cos minutos para determinar la corriente de absorción. Dado que la corriente de de absorción es una una propiedad de los materiales de aislamiento y de la temperatura del bobinado, una determinada corriente de absorción ni es buena ni es mala. Los sistemas de aislamiento fabricados desde 1970 (usualmente poliéster o adhesivos epóxicos) tienen un valor valo r n diferente de los viejos materiales termoplásticos. termoplásticos. Esto no implica que los l os materiales modernos de aislamiento sean mejores porque la corriente de absorción sea menor y la resistencia de aislamiento resultante es más alta. Por ejemplo, el polietileno polietileno no tiene esencialmente corriente de absorción absorción pero debido a sus limitaciones térmicas es inaplicable en muchas máquinas rotativas. La corriente de absorción (IG) en sistemas de aislamiento de poliéster poliéster y mica-epóxica es comúnmente cero a menos que esté saturado de humedad. Los sistemas de aislamiento antiguos tales como mica asfáltica pueden tener una corriente de conducción alta debido a las placas que cubren la mica. La corriente de fuga superficial superficial (IL) es constante todo todo el tiempo. Una corriente de fuga alta usualmente es causado por la humedad u otro tipo de contaminación presente en la maquina. 5.2.- Características de las corrientes directas medidas Comparando los cambios de la resistencia de aislamiento o la corriente total con la duración del voltaje de prueba aplicado puede ser útil para apreciar la limpieza y sequedad de un bobinado. Si los bobinados están contaminados o húmedos. La
corriente total (It) será constante en el tiempo tiempo dado que IL y/o IG IG (ver figura 2) 2) será mucho mayor que la corriente de absorción (IA). Si el bobinado está limpio y seco, la corriente total (IT) disminuye con el tiempo tiempo (Ver Figura 3), dado que la corriente total total es dominada por la corriente de absorción
Figura 2.- Tipos de corrientes de un aislador de mica asfáltica 5.3.- Lecturas de la Resistencia de Aislamiento.Las medidas de la resistencia de aislamiento es una prueba de voltaje directo y debe ser restringida a un valor apropiado al rango de voltaje del bobinado y los condiciones básicas de aislamiento. Esto es de particular particular importancia en máquinas pequeñas de bajo voltaje o bobinados húmedos. Si el voltaje de prueba es muy alto, el voltaje voltaje de prueba aplicado puede forzar el aislamiento ocasionando una falla. Las pruebas de resistencia de aislamiento son llevadas a cabo con voltajes de 50010000 V con polaridad negativa. La polaridad negativa es preferible para acomodarse al fenómeno del electroendósmosis. electroendósmosis. Una guía de los voltajes voltajes de prueba es presentada presentada en la Tabla 1. Las lecturas se realizan después de 1 min. de aplicado el voltaje de prueba.
Figura 3 Figura3.- Tipos de corrientes de un aislante de mica epóxica con una relativamente baja corriente de fuga superficial y ninguna corriente de conductancia. Tabla 1.- Guía de voltaje CD para ser aplicados durante durante la prueba de resistencia de aislamiento. Voltaje nominal del Bobinado (# ) < 1000 1000-2500 2501-5000 5001- 12000 > 12000
Voltaje Directo de prueba p rueba 500 500-1000 1000- 2500 2500-5000 5000- 10000
# Para máquinas trifásicas, el voltaje nominal línea a línea Para máquinas monofásicas, el voltaje línea a Tierra Para máquinas CD o bobinados de campo, el voltaje directo nominal
5.4.- Lecturas del Índice de Polarización.Polariza ción.Los valores de la resistencia de aislamiento usualmente aumentan rápidamente cuando se aplica el voltaje vo ltaje y luego se aproxima gradualmente a un valor constante mientras transcurre el el tiempo (Ver Figura 4), la lectura de un bobinado seco seco en buenas condiciones podría aumentar en transcurso de las horas con un voltaje de prueba constante. Para los tipos de aislamiento antiguos, un valor razonablemente estable se alcanza en 10-15 min. Mientras que en los más modernos se alcanzan en 4 min. o menos. Si el bobinado está sucio o húmedo, un valor estable bajo se alcanza en 1 o 2 min. de aplicado el voltaje de prueba. El índice de polarización normalmente es definido como la l a relación del valor de resistencia en 10 min (IR10) respecto al valor de resistencia en 1 min (IR1). (Ver el anexo A para el uso de otros valores).El índice de polarización es un indicativo de la pendiente de la curva característica. característica. (Ver Figura 4) y puede ser utilizada para evaluar la condición del aislamiento. (Ver Sección 11 y Sección 12). Para obtener una mayor precisión es común tomar tomar lecturas en intervalos tales como como 15s, 30 s, 45s, 1m.2m, 3m…10m
Figura 4.- Medidas típicas de resistencia de aislamiento para tres máquinas diferentes
5.5.- Corriente de Descarga Después de retirar la tensión de prueba se debe debe aplicar un circuito de descarga descarga adecuado (ver Sección 4). La corriente de descarga tiene dos componentes: a) La corriente de descarga capacitiva, la cual disminuye rápidamente dependiendo de la resistencia de descarga. b) La corriente de absorción de descarga, la cual disminuye desde un alto valor inicial a casi cero con las mismas características características de la corriente inicial de carga pero con la polaridad opuesta. opuesta. Esta disminución disminución puede tomar más de 30 min. dependiendo del del tipo de aislamiento y del d el tamaño de la máquina. 6.- Factores que afectan la resistencia de aislamiento ai slamiento 6.1.- Efecto de la condición de superficie La corriente de fuga superficial (IL) depende de materiales externos, externos, tales como aceite y/o polvo de carbón en la superficie del bobinado fuera de la ranura. La corriente de fuga superficial puede ser significativamente significativamente más alta en rotores de grandes turbinas y máquinas CD los cuales tienen superficies de fuga relativamente grandes y expuestas. También puede haber un aumento aumento de las corrientes de fuga en máquinas donde un control de revestimiento se aplica en los extremos. El polvo o la sal en superficies de aislamiento, aislamiento, las cuales normalmente normalmente no son conductivas en estado seco pueden volverse parcialmente conductivas al exponerse a la humedad o al aceite disminuyendo la resistencia de aislamiento. Si el índice de polarización o la resistencia de aislamient aislamiento o disminuyen debido a la contaminación, puede ser reducida a un valor aceptable mediante limpieza y secado 6.2.- Efecto de la humedad Aunque la superficie del bobinado esté limpia, si su temperatura está en o debajo del punto de rocío del ambiente entonces entonces se formará una película película de humedad en la superficie del aislante que que puede disminuir la resistencia resistencia de aislamiento aislamiento o el índice de polarización. El efecto es más pronunciado si la superficie está contaminada o existe una grieta en la superficie del aislante. Note que el efecto de una contaminación por humedad en un bobinado en buen estado no impide obtener lecturas aceptables. Algunos tipos de aislantes antiguos antiguos son higroscópicos (absorben (absorben el agua) y pueden acumularla desde el medioambiente. Esto es particularmente verdadero para los materiales aislantes antiguos tales como mica asfáltica y shellac mica-folium así como en las cintas aislantes usadas entre conductores de cobre no aislados usados u sados en rotores de grandes turbinas. La humedad absorbida aumenta la corriente de conducción (IG) y disminuye significativamente significativamente la resistencia de aislamiento.
Las máquinas en servicio usualmente están a una temperatura temperatura arriba del punto de rocío. Las pruebas a dichas máquinas deben realizarse antes que la temperatura del bobinado caiga debajo del punto de d e rocío. Las máquinas que han estado fuera de servicio (sin un calentador) frecuentemente son probadas cuando la temperatura del bobinado está debajo del punto de rocío y pueden tener valores bajos de resistencia de aislamiento e índice de polarización debido a la contaminación contaminación de humedad. Podría ser necesario secar estas máquinas para obtener lecturas aceptables antes de enviar estas máquinas al servicio o realizar pruebas de alta tensión. Para un apropiado proceso de secado, consulte con el fabricante del equipo. La historia de la máquina, la inspección visual y otros resultados de prueba pueden ayudarle a determinar el riesgo potencial de poner en servicio una máquina con baja resistencia de aislamiento aislamiento y/o índice de polarización polarización debido la contaminación por humedad. Se recomienda que máquinas en este estado no pasen p asen por pruebas de alto voltaje. 6.3.- Efectos de la temperatura 6.3.1.- Teoría General El valor de una resistencia de aislamiento para un sistema dado; para cualquier punto en el tiempo, varía inversamente en una curva exponencial con la temperatura del bobinado. Esto contrasta con la curva resistividad-temperatura resistividad-temperatura de materiales metálicos y no metálicos, en especial con los buenos aisladores. En los metales, las altas temperaturas producen producen una gran agitación térmica, el cual reduce la libre circulación circulación de los electrones libres aumentando su resistividad. resistividad. Mientras que en un aislador, ai slador, un aumento de temperatura incrementa la energía térmica, la cual libera portadores de carga adicionales reduciendo su resistividad. Estas variaciones de temperatura afectan a todos los componentes de corriente identificados en 5.1 excepto la corriente capacitiva geométrica. El valor de la resistencia de aislamiento de una bobina depende de su temperatura temperatura del tiempo transcurrido desde la aplicación de voltaje. La masa térmica de la maquina que está siendo probada es generalmente muy grande para que la diferencia de temperatura leída entre 1 min. y 10 min. sea apreciable, apreciable, excepto para medidas medidas durante el secado secado a corriente nominal. Con la finalidad de evitar los efectos de temperatura en los análisis de tendencias, las pruebas deben realizarse cuando el bobinado está cerca de la misma temperatura de las pruebas previas. Si la temperatura temperatura del bobinado no puede controlarse de una prueba a otra; se recomienda que todas las pruebas de aislamiento sean corregidas a una temperatura común común de 40 °C usando la Ecuación Ecuación (2). Aunque el el valor corregido es
una aproximación, permite una mejor comparación de valores de resistencia resistencia obtenidos a diferentes temperaturas. Rc = Kt x Rc
Ecuación 2
Rc
Resistencia de aislamiento (en megohmios) corregida en 40 °C
Kt
Constante resistencia-temperatura resistencia-temperatura T°C (De 6.3.2 y 6.3.3)
Rt
Resistencia de aislamiento (en megohmios) a temperatura temperatura T°C
Para temperaturas debajo del punto de rocío es difícil di fícil predecir el efecto de la humedad en la superficie, por lo tanto un intento de corregir a 40°C para un análisis de tendencia puede introducir un error inaceptable. En cuyos casos, es recomendable que la historia de la máquina probada bajo condiciones similares sea el factor preponderante para determinar determinar la idoneidad idoneidad del retorno al servicio. Sin Sin embargo como la contaminación por humedad normalmente disminuye el índice de polarización y/o la resistencia de aislamiento, es posible corregir para 40°C por comparación para un criterio aceptable. 6.3.2. Medidas de campo para determina Kt El método recomendable para obtener los datos de la curva resistencia de aislamiento y temperatura de bobinado bobinado es realizar las mediciones mediciones para varios puntos de temperatura, todas arriba arriba del punto de rocío y graficar el resultado en una escala semilogarítmica. Cuando se usa una escala logarítmica para la resistencia de aislamiento y una escala lineal para la temperatura, los puntos de prueba se aproximan a una línea recta que puede ser ser extrapolada para obtener obtener el valor de corrección corrección para 40°C. 6.3.2.- Aproximando Kt Si el efecto de la temperatura del sistema de aislamiento aislamien to es desconocido, descono cido, puede obtenerse un valor aproximado aproximado de Kt usando la Figura 5, para reducir reducir la resistencia a la mitad por cada 10°C de aumento. Note que esto es una aproximación y no debe usarse para cálculos de resistencias de aislamiento con temperaturas muy alejadas de 40°C, puede cometer errores significativos. significativos. NOTA.- La resistencia de aislamiento a la mitad para un aumento de 10°C está basada en pruebas realizadas en sistemas de aislamiento de finales de 1950 y no puede pu ede ser estrictamente verdadero para todos todos los sistemas. Pruebas más más recientes indican un un factor de corrección de resistencia mitad en el rango de 5-20°C. Una variación en Kt puede llevar a un error significativo en Rc aumentado por la diferencia d iferencia entre la temperatura de bobinado y 40°C.
Kt puede aproximarse a la resistencia mitad para 10°C de elevación de temperatura del bobinado mediante la Ecuación 3
Figura 5.- Aproximación del coeficiente de resistencia resistencia Kt, para aislamiento mitad con una elevación de 10°C Por ejemplo, Si la temperatura del bobinado era de 35°C y el aislamiento era tal que la resistencia se reducía cada 10°C, entonces Kt por corrección corrección para 40°C, puede p uede ser derivado de lo siguiente Kt = Pero T= 35 °C Entonces Kt =
=
= 0.7072
6.3.4.- Corrección del índice de polarización Cuando el índice de polarización es usado con la resistencia de aislamiento para determinar la condición del aislamiento, no es necesario hacer una corrección corrección de temperatura al P.I. Como la temperatura de la máquina no cambia apreciablemente apreciablemente entre 1 min y 10 min, sus efectos en el índice índice de polarización son mínimos. mínimos.
Sin embargo cuando la temperatura temperatura inicial del bobinado es alta, su reducción durante el tiempo de prueba puede ocasionar un aumento apreciable de la resistencia de aislamiento entre las lecturas de 1 min y 10 min debido a los efectos térmicos. (Ver 6.3.1). El índice de d e polarización resultante puede ser anormalmente alto. En este caso, se recomienda una medición en o debajo de 40°C. Como se dijo en 6.2, si cualquiera de las medidas de 1 min o 10 min es tomada cuando la temperatura temperatura del bobinado está debajo del punto de rocío, entonces la contaminación por humedad debe tomarse en cuenta en la interpretación. interpretación. 6.4.- Efecto de la magnitud del voltaje de prueba Una Guía de los voltajes de prueba está presentada en la Tabla1 (Ver 5.3). El valor de la resistencia de aislamiento puede disminuir algo con un aumento del voltaje aplicado. Sin embargo, para aislantes secos secos y en buenas condiciones, condiciones, pueden obtenerse obtenerse los mismos resultados para cualquier voltaje de prueba encima del valor pico del del voltaje nominal. Una disminución significativa de la resistencia de aislamiento con el aumento del voltaje aplicado puede ser una indicación de problemas de aislamiento. Estos problemas pueden ser debidos a imperfecciones o fracturas del aislante agravadas por la presencia de polvo y humedad. El cambio de resistencia es más pronunciado en voltajes encima del voltaje nominal. 6.5.- Efecto de cargas residuales existentes existentes en el bobinado Las mediciones de resistencia de aislamiento aislamiento pueden arrojar error si existen cargas residuales en el aislante. Por lo tanto, antes de realizar la medición los bobinados deben estar completamente descargados. Cualquier carga residual se mostrará como una deflexión inversa en el medidor después de conectar pero antes de aplicar voltaje. Cualquier deflexión inversa debe ser despreciable. despreciable. Después de realizar pruebas de alto voltaje, es importante poner a tierra las bobinas tanto por seguridad como tener precisión en las pruebas siguientes. siguientes. El tiempo de tierra debe ser como mínimo cuatro cuatro veces el tiempo tiempo de carga. 7.- Condiciones para la medición de la resistencia de aislamiento Anotar la temperatura ambiente, la humedad relativa, el punto de rocío, duración del tiempo fuera de servicio, el voltaje de prueba y las conexiones realizadas durante la prueba. Asimismo se recomienda convertir la medida a 40°C para una comparación futura. (Para convertir estos valores a dicha temperatura ver 6.3) No es necesario que la máquina esté parada para efectuar la medición de la resistencia de aislamiento. Es más, frecuentemente es deseable realizar dichas mediciones cuando el bobinado está sujeto a la l a fuerza centrífuga similar a la soportada
durante el servicio. En ciertos casos es práctico realizar medidas periódicas mientras mientras la máquina está girando, cortocircuitada para el secado. Siempre que la máquina no esté parada durante la medición de resistencia, deben tomarse precauciones para evitar daños al equipo y al personal. Para medir la resistencia resistencia de un bobinado enfriado por agua, esta debe ser drenada d renada y el circuito interno escrupulosamente secado. En ciertos casos, el fabricante puede proporcionar un medio de medir la resistencia resistencia de aislamiento aislamiento sin drenar el agua. Más información puede obtenerse del manual de operación del fabricante del bobinado. 8.- Conexiones del bobinado para pruebas de resistencia de aislamiento Es recomendable; siempre que sea factible, que cada fase sea aislada y probada separadamente. Las pruebas separadas permiten la comparación entre fases. Cuando una fase es probada las otras dos deben conectarse a un punto común que puede ser la carcasa del estator o el núcleo del rotor. Cuando se prueban las tres fases simultáneamente, solo se está probando el aislamiento a tierra y no en el aislamiento fase a fase. El aislamiento fase a fase es medido solo cuando una fase es energizada energizada y las otras dos puestas a tierra. Se recomienda que todos los equipos externos (varistores, capacitores, capacitores, interruptores etc.) sean desconectados y puestos a tierra antes de efectuar la medición. En todos los casos debe usarse una tierra común para evitar cualquier efecto efecto indeseable debido a las corrientes de fuga. 9.- Métodos para medir la resistencia de aislamiento 9.1.- Medición directa La medición directa de la resistencia de aislamiento puede realizarse mediante los siguientes instrumentos: instrumentos: a) b) c) d)
Un megóhmetro con un generador incluido Un megóhmetro con una batería incluida Un megóhmetro con un rectificados incluido usando una fuente regulada. Un puente de resistencias incluyendo un galvanómetro y baterías.
9.2.- Mediciones calculadas La resistencia de aislamiento puede calcularse de las lecturas de un voltímetro y un microamperímetro usando usando una fuente de voltaje voltaje CD externa y bien bien regulada. NOTA.- El valor recomendado de de voltaje regulado es menor o igual al 0.1 %. Una desviación de este valor puede llevar a resultados ambiguos debido a las pérdidas impredecibles de la corriente de carga.
El método voltímetro –amperímetro es lo bastante simple para determinar la resistencia de aislamiento midiendo el voltaje y la corriente a través del aislamiento. Sr requiere una fuente constante de voltaje directo directo y el voltímetro debe seleccionarse seleccionarse para que se adecúe a los voltajes máximos y mínimos que serán usados. El amperímetro usualmente es multirango, seleccionado seleccionado para que pueda medir toda la escala de corriente que pueda pueda encontrarse durante durante la medición. El microamperímetro debe estar en el rango más alto o en corto durante los primeros segundos y no ser dañado por la corriente corriente de carga capacitiva y la corriente corriente inicial de absorción. Cuando el microamperímetro microamperímetro está en prueba de voltaje, deben tomarse precauciones para la seguridad del operador. La resistencia es calculada como sigue R (t) = E (t) /I (t)
Ecuación 4
Donde R (t) (t) es la resistencia de aislamiento en megohmios E (t) es la lectura del voltímetro en voltios I (t) es la la lectura lectura del amperímetro en microamperios, microamperios, (t) (t) segundos segundos después después de (t) segundos de aplicado el voltaje de prueba. 10.- Precauciones.Se requiere un tiempo para llevar el voltaje impreso en el aislamiento al valor deseado de prueba. El valor de prueba debe ser aplicado tan rápido como sea posible y mantenerlo constante durante la prueba. Los instrumentos donde donde el voltaje de prueba es abastecido abastecido de generadores movidos por motores, baterías o rectificadores, usualmente son usados para hacer pruebas arriba de 1 min. Es importante que el valor de cualquier voltaje de prueba sea constante para prevenir fluctuaciones en la corriente de carga. Puede requerirse la estabilización de la fuente de voltaje. Si el instrumento instrumento de prueba utiliza resistencias de protección, protección, su efecto debe tomarse en cuenta al efectuarse la medición. La caída de voltaje en las resistencias puede ser un porcentaje apreciable del voltaje del instrumento cuando se miden resistencias de bajo aislamiento.
11.- Interpretación de los resultados de la prueba de resistencia de aislamiento e índice de polarización Las pruebas de resistencia de aislamiento e índice de polarización pueden usarse para dos propósitos: a) La historia de la resistencia de aislamient aislamiento o de una máquina dada, medida en condiciones uniformes, uniformes, es una forma útil de apreciar la trayectoria trayectoria de algunos aspectos del aislamiento a través de los años. b) La estimación de la conveniencia de una máquina para la aplicación de la prueba de alto voltaje o de operación operación puede estimarse de la comparación de los valores actuales y previos de PI y/o IR. 11.1.- Monitoreando la condición de aislamiento.a islamiento.Si está disponible el historial historial de la resistencia resistencia de aislamiento de la máquina, máquina, la comparación de los resultados actuales con los resultados previos apoyaría lo concerniente a la condición del aislamiento. Sin embargo, es importante comparar las pruebas bajo condiciones similares, esto es, temperatura del bobinado, magnitud del voltaje, duración del voltaje y humedad relativa. Para comparar pruebas llevadas a cabo a diferentes temperaturas, los resultados deben corregirse para la misma temperatura. temperatura. (Ver 6.3) Una caída pronunciada en el IR IR o el PI respecto a las lecturas lecturas previas pueden indicar contaminación en la superficie, humedad o daños severos en el aislamiento (grietas). Cuando aparece un PI bajo a temperaturas temperaturas elevadas, se recomienda una segunda medida, debajo de 40°C pero encima del punto de rocío. Para pruebas en condiciones similares, un aumento constante de IR, es decir una disminución en la corriente de absorción por el envejecimiento, envejecimiento, podría indicar una descomposición de los materiales de aislamiento, especialmente especialmente cuando son tipo termo-plásticos (mica-asfáltica o shellac-mica-folium). shellac-mica-folium). 11.2.- Idoneidad de operación operación o continuación de de pruebas Cuando el historial de la resistencia de aislamiento no está disponible, se recomiendan mínimos mínimos valores de PI y de IR para estimar estimar la idoneidad del bobinado para operación o para la aplicación aplicación de la prueba de alto voltaje. voltaje. Si el IR o el PI son muy bajos debido debido a la humedad o el polvo, puede ser llevado llevado a un valor aceptable mediante limpieza y secado. El PI puede usarse en el proceso de secado para indicar su culminación, culminación, es decir cuando el valor de PI exceda los valores mínimos. Si el valor de IR es bajo debido a daños severos en el aislamiento, no se recomienda la prueba de alto voltaje. vol taje.
Las máquinas de 10000 KVA o menos, deben tener sea el índice índice de polarización o la resistencia de aislamiento (a 40°C) arriba de los valores mínimos recomendados (Ver Capitulo 12) 12) para operación o una prueba posterior. posterior. Las máquinas arriba de 10000 10000 KVA deben tener el índice de polarización y la resistencia de aislamiento arriba de los valores recomendados (Ver Capitulo 12) para operación o una prueba posterior. Si el IR (a 40°C) es mayor de 5000 Megohmios, Megohmios, el PI puede ser ignorado dado que tendría valores ambiguos. Para bobinas de estator de mica mica asfálticas o de shellac mica-folium unos valores valores de Pi muy altos indicarían que el aislamiento aislamiento ha sido térmicamente térmicamente envejecido y podría tener un alto riesgo de falla. Si en la inspección física, se observa que el aislamiento está reseco o quebradizo es preferible no intentar la limpieza o la prueba de alto voltaje. La máquina puede fallar en cualquier momento, momento, si retorna al servicio servicio en esas condiciones. Puede ser posible operar máquinas con valores de IR o PI debajo de los mínimos recomendados, sin embargo ellos no cumplirían con el Estándar. En todos los casos donde las lecturas de prueba caen debajo de los mínimos recomendados, se deben realizar investigaciones investigaciones para determinar determinar la causa de dichas lecturas. lecturas. Debería usarse el historial de los bobinados, b obinados, las inspecciones visuales y otras pruebas para determinar la conveniencia de poner una máquina en servicio. 11.3.- Limitaciones de la prueba d resistencia resistencia de aislamiento Los datos de la prueba pru eba de resistencia de aislamiento son útiles para evaluar algunos problemas tales como contaminación, humedad absorbida o roturas severas, sin embargo tiene algunas limitaciones: a) La resistencia de aislamiento no está relacionada directamente con la resistencia dieléctrica. A menos que el defecto esté concentrado, es imposible especificar el valor de la resistencia de aislamiento en el cual fallaría. b) Máquinas con conmutadores, de baja velocidad o con bobinados con extremos con superficie grande pueden tener resistencia de aislamiento menor a las recomendadas. En estos casos la tendencia histórica de IR es invaluable para determinar la condición del aislamiento. c) Una única medida de resistencia resistencia de aislamiento para un voltaje particular no indica que un material extraño esté concentrado o distribuido d istribuido en la bobina. d) Las medidas de voltaje voltaje directo tales tales como Pi o IR no podrían detectar detectar vacíos en el aislamiento causado por una impregnación impropia o deterioro térmico.
e) Como las pruebas de resistencia de aislamiento se realizan mientras la máquina está parada, no detectan problemas debido a la rotación tales como bobinados sueltos o vibración. 12.- Índice de Polarización.12.1.- Valores Mínimos.Los valores mínimos son los valores más más bajos en los cuales se recomienda recomienda que una bobina entre en operación o pase por la prueba de sobre-voltaje. En algunos casos, el diseño o los materiales de aislamiento pueden entrega valores bajos. Los valores mínimos para estos diseños deben basarse en la comparación con los valores valores del historial historial de prueba. prueba. 12.2.- Índice de polarización.Los valores mínimos recomendados recomendados de PI para máquinas rotativas tanto tanto AC como DC están listados en la Tabla 2. Dicha tabla está basada en la clase térmica de los materiales aislantes y con la excepción de bobinados de campo no aislados, se aplica a todos los materiales aislantes TABLA 2 .- Valores Valores mínimos de índice de polarización polarización para todos los componentes de aislamiento clase IEC 60085-01: 1984 Clase Térmica PI Mínimo Clase A 1.5 Clase B 2.0 Clase F 2.0 Clase H 2.0 NOTA.- Si la resistencia de aislamiento en 1 min es mayor a 5000 M Ω, el PI calculado no es significativo. En tal caso, la medida del PI puede ser ignorada. 12.2.1.- Aplicación del índice de polarización en bobinados de campo La finalidad de las pruebas p ruebas de resistencia de aislamiento y el índice de polarización es determinar si un sistema de aislamiento aislamiento está listo para puesta p uesta en servicio o para prueba de sobre-voltaje. Los bobinados de rotores de algunas máquinas de inducción pueden estar no aislados del cuerpo del rotor, por lo tanto no puede realizarse una prueba de PI. En caso contrario, como en rotores de polos p olos salientes, se aplica la prueba de índice de polarización. Las bobinas de campo de muchos generadores a turbina se fabrican con cobre expuesto, no encapsulado encapsulado en un aislante. Aunque está está separado de la tierra y otros componentes mediante aisladores, la gran superficie de cobre no muestra
una corriente de absorción (IA) en comparación con la corriente de fuga (IL) cuando está sujeto al voltaje directo. La ausencia de la corriente de absorción altera la curva característica característica de IR (Ver fig. fig. 4) de tal forma que las lecturas lecturas para 1 min y 10 min registran pocos cambios. Por lo tanto, el PI, la cual describe la pendiente de la curva de IR, no se aplica en bobinados de campo no aislados. Por otro lado, muchos otros tipos de bobinados de campo no tienen una cantidad apreciable de conductores expuestos. Estos diseños usan conductores totalmente encapsulados en el aislador y tienen una corriente de absorción absorción (IA) característica. característica. En este caso la prueba de PI puede ser útil para evaluar la condición del sistema de aislamiento. Los valores mínimos recomendados, recomendados, basados en la clase térmica térmica de aislante, serían usados como referencia. 12.2.2.- Aplicabilidad del índice de polarización cuando IR es mayor de 5000 Megohmios Cuando la lectura de la resistencia de aislamiento obtenida después de 1 min de aplicado de voltaje es mayor de 5000 MΩ, la corriente total (It) puede ser menor al rango de microamperios. En este nivel la sensibilidad del instrumento, pequeños cambios en la fuente, la humedad hu medad del ambiente y otros factores pueden afectar la corriente total medida en el intervalo 1-10 min requeridos para el PI. Por este motivo, cuando IR es mayor de 5000 M Ω, el PI no sería una indicación del estado de aislamiento y por lo tanto no es recomendable, en este caso, como herramienta de análisis. 12.3.- Resistencia de Aislamiento.La resistencia de aislamiento mínima después de 1 min ( ), para prueba de sobre-voltaje o puesta en servicio puede determinarse de la Tabla 3. La resistencia de aislamiento aislamiento verdadera del bobinado para ser usada en comparación con , es la resistencia observada y corregida a 40°C, obtenida de aplicar un voltaje directo y constante durante 1 min. La resistencia de aislamiento mínima de una fase en una armadura trifásica, trifásica, probada con las otras dos fases a tierra, debería ser dos veces la resistencia de todo el bobinado.
TABLA 2· - Resistencia mínima recomendada recomendada a 40°C (Todos los valores en Megohmios) Resistencia de aislamiento mínima Muestra de Ensayo Muchos de los bobinados hechos antes de 1970,todos los bobinados de campo y otros no descritos debajo Armadura CD y bobinados AC construidos después de 1970 Máquinas debajo de 1KV con bobinas de estator preformadas o bobinadas bobinadas
kV + 1 100 5
Nota.12-
es la IR mínima recomendada en megohmios a 40°C es el voltaje nominal línea a línea en kV rms
ANEXO A.- Variaciones en el Índice de polarización El índice de polarización (PI) se define tradicionalmente como la relación entre la resistencia de aislamiento en 10 min ( ) respecto a la resistencia de aislam aislamien iento to en en 1 min ( ), medid medido o a una tem temper peratu atura ra relat relativa ivame mente nte cons constan tante. te. En los materiales antiguos de aislamiento, tales como la mica asfáltica, la corriente de absorción demora 10 min a más para caer casi a cero. En los materiales modernos se toma 2-3 min para que la corriente corriente de absorción caiga caiga a cero. Por ello, algunos usuarios usan una variante variante de la PI tradicional. Las variaciones variaciones incluyen pero no están limitadas a las Ecuaciones A.1 y A.2 PI =
/
(A.1)
Donde PI: Índice de polarización IR1: Resistencia de aislamiento después de 1 min de aplicado el voltaje IR30s: Resistencia de aislamiento aislamiento después después de 30 seg de aplicado el voltaje PI =
/
(A.2)
PI: Índice de polarización IR5: Resistencia de aislamiento después de 1 min de aplicado el voltaje
IR1: Resistencia de aislamiento después de 1 min de aplicado el voltaje Como en los bobinados modernos la corriente de absorción absorción disminuye a cero después de pocos minutos, usando tiempos más cortos de PI, se acorta el tiempo de prueba sin perder información información acerca del grado grado de contaminación o absorción de humedad. Otra variación es registrar las lecturas cada minuto y detener la lectura cuando se tiene un valor estable. Hay limitaciones para aplicar otros o tros ratios a) No hay un estándar acerca del intervalo de tiempo para anotar las medidas de IR. Diferentes organizaciones utilizan diferentes criterios. b) No hay un acuerdo acerca del criterio pasa/falla como ha ido establecido para el PI tradicional. c) Los usuarios están animados a reunir datos en tiempos más cortos que les permita obtener un crite criterio rio pasa-falla más idóneo en el futuro. futuro. ANEXO B.- Voltajes de Prueba directa o Alterna La prueba de voltaje directo se realiza aplicando una fuente de voltaje directa entre la muestra de conductor y tierra, usando un amperímetro DC para medir la corriente total. La relación entre el voltaje de prueba y la corriente de prueba indican la resistencia total entre la muestra y tierra. La Resistencia está determinada por la ecuación B.1 R = K1 L/A Donde R:
Resistencia
K1 Resistividad Resistivida d del material L
Longitud del material
A
Área de la sección
Como la resistividad del polvo, aceite y el agua que frecuentemente contaminan el área de bobinado de las máquinas máquinas rotatorias; la prueba de voltaje directo de bobinas contaminadas, normalmente resulta en una gran corriente de fuga superficial y en una baja resistencia. Esta propiedad lo hace un método viable para determinar la extensión de la contaminación en un sistema de aislamiento. Además, si el sistema de aislamiento utiliza cintas de algodón y mica, la prueba puede determinar determinar si el algodón ha ha absorbido humedad.
Desde 1970, los fabricantes no utilizan u tilizan cintas higroscópicas y una prueba de voltaje directo no revelaría problemas internos de aislamiento, tal como un deterioro térmico. Como el principal aislante en los bobinados es la mica, la cual tiene una alta resistividad, una sola capa de mica puede cortar cualquier flujo de corriente. Por lo tanto, si existe un vacío dentro del aislante debido a una impregnación apropiada, deterioro térmico o ciclo térmico no será detectado por la prueba de tensión directa. Pero si hay una grieta severa a través del aislante, posiblemente aparecerá un camino eléctrico entre el cobre y tierra, originando una baja resistencia. Cuando un voltaje alterno es conectado entre los terminales de la muestra y tierra, la corriente es determinada por la capacitancia de la muestra. La capacitancia está dada por. C = K2 A/ A/ d C
Capacitancia
K2
Permitividad dieléctrica del material
A
Área de la sección
d
grosor del material
Como la Permitividad dieléctrica de un aislante es afectado por la presencia de vacíos y/o agua, la prueba de voltaje voltaje alterna alterna es más sensitiva sensitiva para la detección detección de problemas internos de aislamiento. Debido a sus diferentes capacidades de prueba, ambas pruebas deben realizarse para un examen completo del estado del aislamiento.
