● Aislamiento de los devanados del estator
En el aislamiento de las bobinas del estator de cualquier máquina en servicio aparecen defectos cuyo origen puede ser, tanto una deficiente fabricación como una degradación de las cualidades de las sustancias que lo constituyen al estar sometidas a solicitaciones normales de servicio, lo que se denomina “envejecimiento”. Estos defectos, según sea la importancia y localización, pueden dar lugar, a corto o largo plazo, a una perforación del aislamiento.
La ruptura dieléctrica debe considerarse como el último eslabón de una cadena de modificaciones de la estructura del bobinado que se producen en el curso de la explotación de la máquina, sea de manera lenta o bruscamente
Figura 1: Aislamiento de las bobinas del estator de un alternador
La aparición de estos defectos se deben a las siguientes causas:
a) Sustancias contaminantes
El agua y el vapor de aceite condensados sobre la superficie de los aislamientos, junto con partículas de polvo arrastradas por los conductos de ventilación, dan lugar a la formación de una capa de suciedad, que pueden ser absorbidas hacia el interior del aislamiento, provocando una pérdida de sus propiedades aislantes.
El aceite absorbido por el aislamiento es particularmente nocivo en el caso de aislamientos con conglomerados de goma laca o asfalto, pues en estos casos el aceite se desliza entre las moléculas de estas sustancias y hace un papel de plastificante, que da lugar a pérdida de las propiedades mecánicas y eléctricas del aislamiento, produciendo un ablandamiento y aumento de volumen y un aumento de la conductividad eléctrica.
Otros tipos de aislamientos con aglomerantes a base de resinas sintéticas son mucho menos sensibles a la penetración del agua y el aceite y los efectos de estas sustancias sólo se manifiestan superficialmente o cuando existen grietas en el aislamiento por donde puedan penetrar.
En los alternadores con bobinas refrigeradas por agua, cuando las tuberías de agua no están recubiertas de un material aislante térmico, se produce en la superficie de estos tubos de agua fría una condensación de vapor de agua. Estas gotitas de agua son arrastradas por el aire de ventilación que a su vez arrastran partículas de polvo suspendido en el aire que se depositan en la superficie de los devanados. Estando la máquina en funcionamiento, las gotitas de agua se evaporan al contacto con los devanados, pero dejan en su superficie las partículas de polvo arrastradas. Por esta razón, es conveniente evitar la condensación de agua en los tubos de refrigeración, recubriéndolos con un material aislante térmico.
b) Envejecimiento térmico
El efecto de la temperatura, produce a largo plazo una degradación química de ciertos componentes de los aislamientos, como algunos aglomerantes (goma laca, compuestos asfalticos) y materiales se soportes de las láminas de mica, que originan pérdida de sus características eléctricas y mecánicas. El régimen de temperatura de funcionamiento influye de tal manera en la vida media de los aislamientos, que puede decirse que un aumento de temperatura de 10 ºC sobre la temperatura de régimen nominal de un alternador reduce la vida de un aislamiento clásico a la mitad.
c) Efectos mecánicos debidos a las variaciones de temperatura
La diferente dilatación térmica del cobre y los materiales que constituyen el aislamiento hace que las variaciones de temperatura consiguientes a las variaciones de carga de la máquina provoquen deslizamiento de unas capas sobre otras e incluso la rotura de las láminas de mica por la tensión mecánica a que se ven sometidas. Este fenómeno es facilitado, en la mayoría de los casos, por la pérdida de consistencia del aglomerante con la temperatura (caso del asfalto). El deslizamiento que con frecuencia, se produce entre el aislamiento y el cobre hace aparecer, por falta de adherencia, bolsas de aire, que constituyen puntos de producción de descargas parciales, que provocan, degradación de los materiales aislantes.
d) Vibraciones
Las vibraciones en toda máquina en funcionamiento, producen separación y rotura de las láminas de mica que constituyen el material aislante. Este defecto está considerablemente atenuado en los aislamientos a base de papel de mica, en el cual la mica está muy fragmentada, constituyendo un conjunto muy homogéneo.
Por efecto de las grandes solicitaciones mecánicas en los cortocircuitos, pueden producirse fracturas en el aislamiento, principalmente en la parte externa de las ranuras.
En el caso de sujeción imperfecta de las bobinas entre sí y los anillos de soporte en la zona externa de las ranuras, las vibraciones pueden originar desgastes de las capas de material aislante por roce de las bobinas con otros elementos, como ligaduras o tacos de separación, reduciendo de esta manera el espesor aislante de estas zonas. Este defecto suele ir acompañado de la producción de polvo de material aislante que se deposita sobre el devanado.
Figura 2: Inspección de bobinas del estator de un Turbogenerador GE Power Generation
e) Descargas parciales en vacíos internos
Los elementos volátiles contenidos en el aislamiento, tales como agua absorbida por el material de soporte (papel, algodón, etc.), y no completamente eliminada con anterioridad, o disolventes de lacas o resinas de impregnación, producen al evaporarse, la formación de burbujas en el seno del aislamiento. Asimismo, el fenómeno del deslizamiento da lugar a la formación de vacíos internos. El reparto del campo eléctrico (inversamente proporcional a las permitividades) entre los materiales aislantes y el aire de los vacíos es tal, que el campo en el interior de estos últimos se encuentra considerablemente aumentado, siendo superior, en ocasiones al valor de la rigidez dieléctrica, apareciendo entonces pequeñas descargas en el interior (descargas parciales), que producen degradación química de las sustancias que forman las paredes de estas burbujas. Esta degradación va progresando con el tiempo, dando lugar, en último extremo, a una perforación del aislamiento en la zona afectada.
f) Golpes y erosiones por objetos metálicos
Otra de las causas frecuentes de avería es la debida a golpes sufridos por el bobinado con objetos metálicos durante los procesos de revisión o montaje, o debidos a la introducción accidental de algún objeto extraño en el entrehierro, las huellas que producen estos golpes pueden ser el origen de un arco eléctrico en servicio al cabo de un cierto tiempo como consecuencia de una degradación posterior en la misma zona o debido a una sobretensión superior a la tensión que puede soportar el aislamiento en esta parte del devanado.
g) Cortocircuitos
Por efecto de las solicitaciones mecánicas por cortocircuitos próximos a las máquinas, pueden aparecer en la parte del devanado exterior a las ranuras deformaciones permanentes y grietas en el aislamiento.
● Aislamiento de las chapas del núcleo
El fallo en el aislamiento entre chapas del núcleo es poco frecuente y cuando se presenta viene generalmente precedido de condiciones anormales de funcionamiento; por ejemplo, si las chapas no están suficientemente apretadas, la vibración puede producir desgastes de la capa aislante y originar calentamientos locales que producen un fallo progresivo de estos aislamientos.
Como consecuencia de arcos eléctricos de descarga entre bobinados y el núcleo por fallo de los aislamientos de aquél, se produce soldadura de unas chapas con otras, que es necesario eliminar antes de volver a poner en servicio la máquina.
● Aislamiento de los pernos de apriete del núcleo
El aislamiento de los pernos puede desgastarse por efecto de la vibración o contaminarse por acumulación de elementos extraños que, si son conductores, establecen un contacto eléctrico entre los pernos y las chapas del núcleo. Si esto sucede en más de un perno, se originan corrientes parásitas en el núcleo que producen calentamientos locales y degradación del aislamiento entre chapas. (Figura 3)
Figura 3: Aislamiento de los pernos de apriete del núcleo
● Aislamiento de las bobinas del rotor
Estos aislamientos pueden verse afectados por erosión mecánica, degradación térmica de los aglomerantes, grietas producidas por esfuerzos o contaminación por aceite, humedad, polvo, etc.
REFERENCIAS:
ASINEL: Mantenimiento eléctrico de alternadores y motores de alta tensión
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