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CORONOGRAFÍA ULTRAVIOLETA (UV) Aplicada para la detección de efecto corona, descarga parcial y arco eléctrico en sistemas de aislamiento de turbo generadores y motores.

INTRODUCCIÓN La aplicación de técnicas predictivas especializadas en motores/generadores eléctricos tiene como propósito principal el poder detectar fallas en las maquinas eléctricas rotatorias de forma tal que las interrupciones en la producción debido a fallas inesperadas sean reducidos al máximo (nivel de confiabilidad). Dichas fallas en equipos críticos conducen a perdidas económicas considerables a nivel de la industria ya que ocasionan interrupciones en la producción durante el lapso de tiempo de una reparación costosa o en el peor de los casos hasta que el equipo sea sustituido, lo cual agrava la situación cuando no se cuenta con un reemplazo inmediato de un equipo costoso. El otro aspecto involucrado consiste en la disminución de costos por ahorro energético al contar con la herramienta apropiada para llevar a cabo pruebas de aceptación después de una reparación costosa y poder evaluar la eficiencia de un motor/generador eléctrico. Al detectar fallas eléctricas y mecánicas en una maquina rotatoria se puede evaluar su condición y eficiencia de funcionamiento ya que en la mayoría de los casos los desperfectos conducen a un consumo mayor de energía eléctrica y al desmejoramiento de la potencia reactiva (bajo factor de potencia) el cual es penalizado por las empresas distribuidoras de la energía eléctrica.

CONTAMINACIÓN MECÁNICA Anillos engrasados Terminales sucios (polvo) Cuñas de estator engrasadas Terminal de embobinado engrasado Anillos sucios (polvo)

EFECTO CORONA Y DP´s: Interfaces contaminadas Ranuras contaminadas Ranuras desgastadas Aislamiento degradado en terminales Espacio de conexiones contaminado

Causa –raíz de DP´s en motores y generadores Desajuste. 2. Espaciamiento inadecuado en bobinas de fases diferentes 3. Contaminación. 4. Sobretensión en interfases Estudios efectuados por el Instituto EPRI (Electrical Power Research Institute) en los Estados Unidos en conjunto con la firma General Electric revelan que el mayor porcentaje de incidencia de falla en motores/generadores eléctricos (41%) tiene como causa raíz defectos de tipo eléctrico, aun cuando una falla mecánica es la causa aparente.

1. Desajuste de bobinas (1) El desajuste de bobinados se genera por el efecto combinado de fuerzas electrodinámicas y ciclos térmicos que producen el desgaste en ranuras, empaquetaduras, bobinas y a la contracción del espesor en resinas aislantes. El contacto directo entre la superficie del estator y las bobinas genera un daño en el recubrimiento superficial, aumentando la tensión entre estas o con el hierro del estator. Si estas tensiones superan el valor de disrupción de campo eléctrico (24KV/cm) ocurrirá la descarga parcial. En presencia de aceite, cuñas y tapas superiores pueden aflojarse presentando ondulaciones en la superficie. En ambientes saturados de aceite, en los espacios formados por cuñas sueltas se produce un tipo de contaminación de aspecto graso.

1. Desajuste de bobinas (2) Las descargas parciales aceleran la degradación de capas de recubrimiento de resinas epóxicas y de poliéster disminuyendo así las medidas nominales de bobinados e incrementando su desajuste. De esta forma, máquinas con daños leves en la superficie de bobinados pueden proporcionar algún tiempo de operación confiable pero una vez se detecten daños severos es muy difícil y costoso restaurar la semi-conducción superficial. Prevenir es lo más indicado

1. Desajuste de bobinas (3) Bobinados con daño severo en el recubrimiento superficial requieren ser reparados o reemplazados debido a que la alta producción de ozono acelera estados de corrosión en la pared de aislamiento a tierra por las DP´s generadas en las ranuras. No se puede predecir el tiempo entre la detección de desajustes y la falla, pero un indicador que puede servir es el incremento de temperatura en secciones del bobinado, especialmente en aquellas sometidas a altas tensiones. Máquinas refrigeradas son más propensas y sufrir DP´s en ranuras. Inspecciones visuales y resultados de pruebas de espesor en recubrimientos generarían el monitoreo de actividad por DP´s, si estas están presentes en una sola ranura, se requerirá la entrada de la máquina al programa de aseguramiento de confiabilidad.

2. Espaciamiento inadecuado en bobinas de diferente fase. Se presenta cuando devanados de bobinas de diferente fase no se encuentran espaciados adecuadamente, el vacío creado genera una diferencia de potencial dando lugar a descargas parciales que lentamente corroen las paredes de tierra. A menor distancia de separación, la DP adquiere más intensidad acelerando la velocidad de degradación de aislamientos. Espacios inadecuados y condiciones ambientales de operación con polución pueden generar condiciones de DP´s superficiales

Agentes contaminantes “conductores” (sales, partículas metálicas) húmedas, aceite mezclado con polvo generan un tipo de falla denominado electrical tracking (erosionamiento) que afecta los devanados del estator facilitando el paso de corrientes disruptivas aceleran la degradación de propiedades dieléctricas de materiales y resinas aislantes. 3. CONTAMINACIÓN (1)

3. CONTAMINACIÓN (2)

4. SOBRETENSIÓN EN INTERFACES Para controlar sobretensiones en una bobina, el interfaz entre materiales semiconductores recubrimiento/cinta y el gradiente de tensión recubrimiento/cinta debe ser eficaz, debido a que ST, temperatura, contaminación deterioran rápidamente estos materiales. Esto trae como resultado el desajuste de espiras y aumento de DP´s en los espacios creados entre espiras de diferente fase.

CONDICIONES PARA MONITOREAR DP´s POR UV Aplican para motores – generadores de posición horizontal. Tipo de prueba: OFF-LINE NORMAS DE REFERENCIA 1) IEEE 286-2000: variación de factor de potencia, tip-up (máquinas nuevas y usadas) 2) IEEE 522-2004: ensayos de alta tensión para aislamiento entre entre espiras (máquinas nuevas y usadas) 3) IEEE 1434-2000: ensayos de descargas parciales (máquinas nuevas y usadas) 4) IEEE 43-2000: resistencia de aislación e índice de polarización (máquinas nuevas y usadas) 5) IEEE 95-2002: ensayos de alta tensión continua (máquinas nuevas y usadas)

La norma describe ensayos con máquina fuera de servicio y con máquina en servicio. Este ensayo mide directamente los pulsos de corriente que aparecen como consecuencia de descargas parciales en el bobinado. Cualquier proceso de deterioro que genere descargas parciales como síntoma, será detectado por este ensayo. Este ensayo es significativo para tensiones nominales por encima de 2300 V. IEEE 1434: PRUEBA DE DESCARGAS PARCIALES (1)

Esta norma describe varios métodos de ensayo:   1. ensayo con máquina fuera de servicio en el estator completo. 2. ensayo con sensor de efecto corona para localización. 3. ensayo con sensor ultrasónico para localización. 4. visualización a oscuras o con sensor ultravioleta para localización. 5. ensayo con máquina en servicio. ES IMPORTANTE ACLARAR QUE CON LA TECNOLOGÍA UV SE PUEDEN ELIMINAR LOS ENSAYOS 2, 3 Y 4 Los primeros cuatro ensayos se hacen con la máquina fuera de servicio y con parte de la misma desarmada. El último de ellos se hace con la máquina en servicio. Estos ensayos requieren la participación de un experto.   IEEE 1434: PRUEBA DE DESCARGAS PARCIALES (2)

OBJETIVO DE LA PRUEBA Muchas de las fallas en los bobinados presentan descargas parciales como síntoma del proceso. Cuando se produce una descarga parcial hay un flujo de electrones desde una cara interna del hueco hacia la otra. La velocidad de la descarga es muy alta y se producen pulsos de muy corta duración, del orden de nanosegundos. Al transportar carga se produce un pulso de corriente. Cada pulso de corriente ocurre en un lugar determinado de la aislación. La corriente viajará a través del bobinado y se creará un pulso de tensión. El pulso viaja hasta llegar a los bornes de los bobinados. Si se realiza un análisis de frecuencia se verá que se tienen señales de algunos cientos de MHz. Un dispositivo sensible a las altas frecuencias podrá detectar estos pulsos. En ensayos de descargas parciales sobre el bobinado completo de una máquina generalmente se usa un condensador de alta tensión conectado al borne de salida del bobinado. Este condensador y algún filtro adicional se conectan de manera de derivar a través de una baja impedancia a tierra la señal de 60 Hz y las altas frecuencias hacia el circuito de medida. En algunos casos se usan también transformadores toroidales de alta frecuencia para detectar las descargas parciales. Cada descarga parcial producirá su propio pulso. Cada pulso tendrá una amplitud diferente. La magnitud del pulso está asociada al tamaño del hueco en la aislación. Cuanto más grande es el pulso mayor será el defecto que originó la descarga. Lo interesante de este ensayo es que uno puede concentrarse en los pulsos grandes y descartar los pequeños. Contrariamente a lo que pasa con el ensayo de tip-up donde se ve la actividad total de las descargas parciales, la medida directa de las descargas permite la medida de los defectos más importantes. Dado que la probabilidad de falla es mayor en los defectos más grandes, el ensayo de descargas parciales indica la condición de la aislación en sus partes más deterioradas. IEEE 1434: PRUEBA DE DESCARGAS PARCIALES (3)

IEEE 1434: PRUEBA DE DESCARGAS PARCIALES (4) METODOLOGÍA DE LA PRUEBA TIPO OFF-LINE PARA MÁQUINAS HORIZONTALES Desensamblar la máquina y dejar expuestas las bobinas del estator. 2. Aislar con cinta se seguridad el área donde se va a realizar la prueba. 3. Usar elementos de protección personal, es indispensable el uso de botas dieléctricas certificadas. 4. Energizar por fase cada bobina objeto de estudio con una fuente tipo AC. Las demás fases deberán ser aterrizadas. La fuente deberá entregar una tensión mayor que la tensión nominal de servicio de la máquina. En motores la prueba se puede realizar a 0.5 veces de la tensión nominal de la máquina. 5. Para la prueba HIGH-POTENTIAL en generadores la tensión de prueba máxima es 1.5 ó 1.6 veces la tensión nominal de servicio de la maquina. 6. Marcar las zonas donde se detecte mayor emisión de fotones. NOTA: La cámara UV tiene como ventaja tecnológica el registro de DP´s en formato de video o registro fotográfico instantáneo. Se recomienda el registro en formato de video.

INTERPRETACIÓN La medida de las descargas parciales consiste en medir su amplitud. Se utilizan distintas unidades: 1. pico culombios (pC) si se dispone de un calibrador. Esta es una medida de la cantidad aparente de electrones involucrados en la descarga. 2. milivoltios (mV), cuando la amplitud se mide generalmente con osciloscopios. 3. miliamperios (mA) si los pulsos se miden con un transformador de alta frecuencia. 4. decibeles (dBm) si se mide con un analizador de frecuencia. 5. La tecnología UV involucra una nueva unidad que es la emisión de fotones/minuto relacionada con pC. LA CAMARA UV REEMPLAZA EL USO CALIBRADOR DE pC, OSCILOSCOPIOS, TRANSFORMADORES DE ALTA FRECUENCIA Y ANALIZADORES DE FRECUENCIA (ULTRASONIDO POR EMISIÓN AL AIRE).   No existe una magnitud de medida normalizada. La magnitud del pulso detectada en los bornes depende de varios factores:   1. El tamaño del defecto. En general, cuanto mayor es el volumen del defecto mayor es el pulso. 2. La capacidad del bobinado. Si la capacidad es alta, la impedancia a tierra a altas frecuencias será baja. La mayor parte del pulso de corriente se deriva a tierra llegando muy atenuado al borne de salida. 3. La inductancia entre el origen de la descarga y el equipo de medida. El pulso se atenuará a lo largo del bobinado. Generalmente cuanto mayor es el recorrido menor será la magnitud del pulso detectado. IEEE 1434: PRUEBA DE DESCARGAS PARCIALES (5)

ESTUDIO DE CASOS: CASO 1 1. MOTOR 6.6 KV 1200 HP ANTECEDENTES: maquina reparada, se prueba el estator para detectar DP´s. La prueba de desarrolló a 0,5 veces la tensión nominal de la máquina. Se detectaron emisiones de 5500 fot/min. ANÁLISIS: Descarga parcial de baja energía. EFECTO SOBRE CONFIABILIDAD: No representativo ACCIÓN CORRECTIVA RECOMENDADA: Revisar equipo en 1 año.

ESTUDIO DE CASOS: CASO 2 1. MOTOR 6.6 KV 2500 HP ANTECEDENTES: maquina reparada, se prueba el estator para detectar DP´s. La prueba de desarrolló a 0,5 veces la tensión nominal de la máquina. Se detectaron emisiones de 14000 fot/min. ANÁLISIS: Descarga parcial de alta energía. EFECTO SOBRE CONFIABILIDAD: Alto. El nivel y distribución de las emisiones indican que el motor no fue bien reparado. ACCIÓN CORRECTIVA RECOMENDADA: Rebobinar y aplicar recubrimiento con resina aislante epóxica.

ESTUDIO DE CASOS: CASO 3 ETAPA 1 Indicaciones de efecto corona en otras zonas Indicaciones de efecto corona en otras zonas Primeras indicaciones de efecto corona Contador de fotones activado Aumentando la tensión de prueba el efecto corona también aumenta El efecto corona se generaliza a lo largo de la espira sobre la parte exterior del aislamiento Aumentando la tensión de prueba se observa el primer indicio de descarga parcial El efecto de las corrientes disruptivas supera la propiedad dieléctrica del aislante causando arco eléctrico y humo GENERADOR 10 MW: Las pruebas de aislamiento con MEGGER indicaron un valor bajo de resistencia de aislamiento entre fases. La localización y nivel de severidad de la falla se determino con la cámara UV. La prueba H.POT de llevo a cabo a 1.5 veces la tensión de operación del generador. 1 2 3 4 5 6 7 8 Después de retirar el aislamiento defectuoso y limpiar la zona afectada se instaló un aislamiento provisional y se realizó una nueva prueba H.Pot. El megger nuevamente mostró valores bajos de resistencia de aislamiento por lo cual se realiza otra prueba H.POT pero ahora realizando el monitoreo desde su inicio con la cámara UV reemplazando el megger.

ESTUDIO DE CASOS: CASO 3 ETAPA 2 La nueva falla muestra un nivel de emisión mas elevado pero ha diferencia de la prueba anterior en un periodo de tiempo más corto. Se localiza la falla en otra zona del aislamiento cuando la tensión se aumenta en un valor más alto que en la prueba anterior Con el incremento de la tensión de prueba, se genera arco eléctrico antes de que el tiempo estándar de la prueba finalice. GENERADOR 10 MW: Las pruebas de aislamiento con MEGGER indicaron un valor bajo de resistencia de aislamiento entre fases. La localización y nivel de severidad de la falla se determinó con la cámara UV. La prueba H.POT se llevó a cabo a 1.5 veces la tensión de operación del generador. 1 2 3 4 Evidencia de flameo por arco eléctrico en la bobina. Se suspende la prueba.

RESULTADOS CASO 3: Prueba de descargas parciales en generador de 10 MW Se realizaron 3 pruebas HI POT: La 1ra. prueba se ejecutó con equipos convencionales para medición de resistencia de aislamiento. El megger utilizado registró valores bajos que no cumplen con los estándares de aceptación. Se inició monitoreo de DP´s con la cámara UV, localizando y cuantificando la emisión de fotones/min, determinando así su severidad. Se retira y reinstala provisionalmente el material aislante y se repite la prueba, donde el megger nuevamente registra valores de resistencia de aislamiento muy bajos con referencia a los de aceptación. La cámara UV detecta emisiones de mayor intensidad en puntos diferentes a los inicialmente identificados, debido a esta condición se detiene la prueba. Se limpia y retira el material aislante fallado y se programa una tercera prueba, donde el megger muestra lecturas en GΩ con valores aceptables. Durante esta prueba no se presentaron DP´s y la tensión de prueba se incrementó secuencialmente hasta los valores de tensión nominal del generador. 2. Se presentan fluctuaciones de carga en μA (corrientes disruptivas), posiblemente por mala calidad de los materiales aislantes escogidos.

CONCLUSIONES Coronografía UV es una herramienta versátil que puede agilizar de manera confiable los procesos de inspección de estatores y motores horizontales para pruebas fuera de línea. 2. UV como tecnología de mantenimiento predictivo permite mejorar indicadores de confiabilidad, mantenibilidad y disponibilidad evitando así las consecuencias (técnicas, económicas y ambientales) que generan las paradas de emergencia. 2. UV además de la detección de disrupciones de campo eléctrico permite evaluar la calidad de materiales y resinas epóxicas usadas en recubrimientos de bobinas. 3. UV permite evaluar la calidad de las reparaciones de bobinados de motores y generadores. 4. Permite detectar fallas ocultas que no pueden ser detectadas por otras tecnologías convencionales.