Diagnosis de grandes máquinas rotativas (Parte 1ª)

Las causas más importantes que influyen sobre la vida de los distintos elementos que componen una máquina rotativa y pueden provocar su indisponibilidad son los que se pueden observar en la tabla 1

Tabla 1

Cojinetes

La vida de un cojinete está determinada por un dimensionado correcto en función de los esfuerzos que debe soportar, que son conocidos; sin embargo se pueden producir esfuerzos no previstos por vibraciones radiales por un desequilibrio del rotor, esfuerzos axiales anormales provocados por la turbina, disminución de la refrigeración por un refrigerante en mal estado, lo que puede provocar una dilatación del cojinete con riesgo de eliminación del juego radial y por último, mal estado del aceite lubricante.

Aislamientos

El aislamiento de las máquinas eléctricas está formado por la combinación de distintos materiales, antiguamente, asfalto y mica, y actualmente por resinas sintéticas y cinta de mica.

La interdepencia entre temperatura y duración del aislamiento, que fue señalada por primera vez en 1930 por Montsinger, y a pesar de ser compleja continúa vigente en nuestros días. Pero no es sólo la temperatura absoluta la que afecta los aislamientos, sino también las variaciones de temperatura por los defectos de dilatación y contracción. En casos de esfuerzos electromecánicos fuertes, o sea cortocircuitos, provocan esfuerzos suplementarios sobre las cabezas de bobina, que dañan mecánicamente el aislamiento.

Cuñas

Las cuñas de ranura deben tener el apriete adecuado, debido a la importancia que tiene el que las bobinas o barras estén perfectamente fijas en el interior de las ranuras, por lo que es obvio que las cuñas de ranura deben tener el apriete adecuado.

Si las cuñas están flojas, las bobinas vibran en sentido radial, por lo que las superficies laterales del manguito sufren una abrasión que daña el barniz protector antiefluvios, iniciándose una aparición de efluvios y la pronta destrucción de aislamiento

Cuerpo magnético

La temperatura influye de forma indirecta sobre la vida del paquete de chapas, ya que el aislamiento entre estas puede destruirse provocando cortocircuitos magnéticos, locales y por consiguiente, aumentos localizados muy fuertes de temperatura que afectarán al propio paquete y al bobinado.

Por otro lado, las vibraciones y el mal apriete del paquete que dan lugar a fuertes vibraciones en los dientes a causa de la inducción, provocan el deterioro del paquete e inclusive del devanado.

Uniones atornilladas

Las variaciones de temperatura con uniones atornilladas de materiales de diferente coeficiente de dilatación pueden provocar deformaciones plásticas, lo que puede conllevar a un aumento de la presión original del contacto, así al fallar el contacto eléctrico en fases de fuerte solicitación de corriente aumenta la resistencia y provoca la avería.

En los pernos de fijación del paquete de chapas o uniones interpolares, se pueden producir por vibraciones efectos resonantes que al cabo de más o menos tiempo pueden provocar la rotura. Igual ocurre con los cortocircuitos que puedan afectar a los tornillos de fijación de los elementos de sujeción de las cabezas e incluso sobre los pernos de anclaje.

Diagnosis de máquinas rotativas

El concepto de diagnosis de máquinas rotativas fue acuñado a finales de los setenta y se refería a un programa específico de ensayos que permitían conocer el estado de cada elemento de una máquina y a la vez, emitir un juicio en el tiempo del estado de la misma.

Teniendo en cuenta los diversos elementos que componen, por ejemplo, un alternador se habría de aplicar el concepto de diagnosis a cada elemento es decir a los devanados, chapa, cojinetes, etc.

Realmente en sus orígenes era así, había una diagnosis concreta para cada elemento; de hecho en la actualidad aún se aplica de esta forma en grandes turbo-alternadores que forman la potencia eléctrica base, siendo máquinas donde se pretende conseguir una disponibilidad del 100% fuera de las paradas programadas, distanciadas en intervalos que van desde los 15 meses a los 24 meses.

Sin embargo, fuera de estas grandes máquinas, el concepto de diagnosis sólo se aplica a elementos muy específicos como el aislamiento de devanados. Esto se ha debido fundamentalmente, a la experiencia adquirida sobre la casuística de averías en máquinas y a !os avances en los sistemas de instrumentación e informática, que han hecho posible la monitorización de parámetros con una fiabilidad que antes técnica o económicamente no eran viables además de la experiencia adquirida sobre la casuística de averías en las máquinas. De hecho, cualquier alternador de cogeneración actual dispone de monitorización de parámetros tales como: vibraciones, temperatura de devanados, de cojinetes, de entrada y salida de aire, de rotor a tierra, etc. Esto permite que ciertos ensayos sólo se efectúen cuando la monitorización avisa de la posibilidad de un defecto.

Aislamiento de devanados del estator

En el aislamiento de las bobinas del estator de toda 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 las solicitaciones normales en servicio, lo que se denomina "envejecimiento». Estos defectos, según sea su 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. Defectos tales como golpes sufridos durante la colocación de las barras o debidos a vibraciones por sujeción imperfecta del bobinado, resbalamiento de las capas de aislamiento, erosión por partículas magnéticas, etc., son frecuentemente origen de un cortocircuito entre una barra y el circuito magnético, entre dos espiras adyacentes de una misma bobina o entre dos barras de diferentes fases. De los diversos tipos de defectos que se han descrito, unos son más frecuentes en la parte del devanado situada en las ranuras del estator, mientras que otros lo son en la parte externa a las ranuras. Así, por ejemplo, el despegamiento de las capas del aislamiento y rotura de las láminas de mica por efecto de las dilataciones por temperatura son más frecuentes en el interior de las ranuras y lo mismo ocurre con las descargas parciales, pues el campo eléctrico es mayor en estas zonas. Por el contrario, los defectos debidos a golpes, vibraciones o acumulación de sustancias contaminantes son más frecuentes en la zona exterior a las ranuras, por estar más expuestos a estos agentes externos.

Por otra parte, la localización más frecuente de los defectos viene influenciada también por el tipo de fabricación del aislamiento, pues es frecuente la ejecución de un aislamiento mixto, con las partes rectas de las bobinas aisladas con folio de material aislante de anchura igual a la longitud de la bobina, mientras que la parte externa a la ranura se aísla con cinta. En estos casos, el punto de unión de cinta y folio presenta una discontinuidad que es frecuentemente el origen de un defecto posterior.

Por todo lo anterior, puede afirmarse que es más frecuente la presencia de defectos en la zona exterior a las ranuras, lo que es una ventaja para su rápida localización e incluso para su reparación. La aparición de estos defectos se debe a las siguientes causas:

a) Sustancias contaminantes

El agua y 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, pudiendo además ser absorbidas hacia el interior del aislamiento, provocando una pérdida de las propiedades aislantes (figura 1).

El aceite absorbido por el aislamiento es particularmente nocivo en el caso de aislamientos con aglomerante 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, produciéndose un ablandamiento y aumento de volumen y un aumento de la conductividad eléctrica.

Figura 1

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.

b) Envejecimiento térmico

Por efecto de la temperatura, se produce a lo largo del tiempo una degradación química de ciertos componentes de los aislamientos, como algunos aglomerantes (goma laca, compuestos asfálticos) y materiales de 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 permanente de 10 °C 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 variaciones de carga de la máquina provoquen deslizamiento de unas capas sobre otras y aún, rotura de las láminas de mica por la tensión mecánica a que se ven sometidas. Este fenómeno viene 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, como se verá después, una posterior degradación de los materiales del aislamiento.

d) Vibraciones

Las vibraciones presentes siempre 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 ya muy fragmentada, constituyendo un conjunto muy homogéneo.

Por efecto de las grandes solicitaciones mecánicas en los cortocircuitos, pueden producirse, asimismo, fracturas en el aislamiento, principalmente en la parte fuera de las ranuras.

En el caso de sujeción imperfecta de las bobinas entre sí y a los anillos de soporte en la zona fuera 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 en estas zonas. Este defecto suele venir acompañado de la producción de polvo de material aislante que se deposita sobre el devanado.

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 las lacas o resinas de impregnación, producen, al evaporarse, la formación de burbujas en el seno del aislamiento. Asimismo, el fenómeno del deslizamiento descrito anteriormente 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. 

Figura 2: Análisis de descargas parciales

f) Golpes y erosiones por objetos metálicos

Otra de las causas frecuentes de averías 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 extraído 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 esta 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.

Devanado rotor

Los devanados rotóricos están sometidos a unas solicitaciones eléctricas bajas, pero en contra tienen solicitaciones mecánicas muy fuertes que, acompañado de las variaciones de temperatura pueden provocar deslizamientos axiales de las espiras, provocando deterioros en el aislamiento, lo que conduce a cortocircuitos entre espiras que se traducen, desde un aumento de la corriente de excitación hasta vibraciones anormales en la máquina. Otro punto importante en los devanados rotóricos es, la suciedad que se acumula en las bobinas y conexiones que pueden conducir a un descenso muy fuerte del aislamiento.

Diagnosis de devanados

Diagnosis de devanados. Filosofías

Dentro de la diagnosis de devanados podemos encontrar diversas filosofías en cuanto al tipo de ensayos, técnicas a utilizar etc., fundamentalmente se pueden dividir en:

Interpretativo. Se basa principalmente en realizar pruebas en corriente continua con tensiones reducidas y a partir de cálculos teóricos y modelizaciones, determinar el estado del aislamiento:

• Ventajas: al realizar ensayos a tensiones reducidas permite que la diagnosis sea rápida ya que los equipos son ligeros y no se han de tomar precauciones especiales debido a los niveles de tensiones empleados.

• Desventajas: Los niveles de tensión empleados hacen que el estudio del estado del aislamiento a niveles de tensiones de trabajo hayan sido interpolados, es decir no es real ya que lo que sucede en el aislamiento a los niveles de tensión de trabajo no tiene por qué estar unívocamente relacionado con lo que sucede a baja tensión aparte de que algunos parámetros no son obtenidos de forma directa pero fundamentalmente la gran desventaja es que no se puede garantizar un funcionamiento continuo.

Determinativo. Se basa principalmente en realizar pruebas en alta tensión con corriente continua. Más que buscar cómo está el aislamiento lo que busca es determinar si el aislamiento aguantará un funcionamiento continuo.

• Ventajas: Permite asegurar que el alternador puede funcionar sin posibles problemas debidos al aislamiento.

• Desventajas: Los niveles de tensión empleados hacen que la diagnosis no sea rápida ya que los equipos no son ligeros y se han de tomar precauciones especiales debido a los niveles de tensiones empleados.

Mixto. Éste reúne las ventajas de los otros dos ya que permite realizar un estudio profundo del asilamiento, así como garantizar la fiabilidad del aislamiento para un funcionamiento normal del alternador. Se basa en ensayos en baja y alta tensión con corriente continua y en pruebas en alta tensión con corriente alterna. Su desventaja es que la realización de los ensayos requiere cierto tiempo ya que los equipos no son ligeros y además al realizar pruebas en continua y alterna obliga al uso de un número mayor de equipos, así como las precauciones que se han de tener debido a los niveles de tensión empleados.

Diagnosis de devanados

De lo enunciado anteriormente se deduce que el método más adecuado es el mixto al cual denominaremos a partir de ahora para simplificar, diagnosis de devanados.

Los ensayos de diagnosis de devanados se dividen en dos grupos:

• El primer grupo son aquellos fundamentales para poder determinar el estado del aislamiento.

• El segundo grupo lo componen una serie de ensayos que sin ser fundamentales complementan los del primer grupo y permiten tener un histórico de algunos parámetros que pueden ser útiles a la hora de hacer un estudio en el tiempo.

Ensayos fundamentales

• Medición de la corriente de carga y descarga

Medición de la corriente de carga y descarga del conjunto de los devanados estatóricos respecto de masa aplicando una tensión continua y estabilizada de 500 V o 1.000 V.

La medición de la corriente de carga y descarga nos indica el estado del aislamiento, el cual depende ante todo, del envejecimiento, de la suciedad y de la absorción de humedad.

Para la medición se aplica entre el devanado y el cuerpo magnético, una tensión continua estabilizada y se miden, con un programa exactamente definido las corrientes de carga y descarga.

Los valores de corriente en función del tiempo obtenidos, así como los factores característicos que de ellos se derivan, nos permiten obtener información sobre la magnitud de la resistencia de aislamiento así como del grado de suciedad y humedad del devanado, en función de la cual podremos proseguir con el resto de las mediciones en AT, necesarias para la exacta evaluación del estado del devanado (fig. 3).

Figura 3

• Medición de la corriente de carga

Medición de la corriente de carga del conjunto de los devanados estatóricos respecto de masa aplicando una tensión continua y estabilizada de 5 KV.

• Medición de índice de polarización

Obtención del índice de polarización de cada fase aplicando una tensión continua y estabilizada de 5 KV.

• Medición de la corriente de absorción y fuga

Medición de la corriente de absorción de cada fase y de la corriente derivada a las otras fases en función de la tensión aplicada. La tensión aplicada es una tensión continua y estabilizada llegando hasta 2,2 veces la tensión nominal. 

Figura 4: Ensayos DC, análisis de corriente de polarización y despolarización

La medición de la corriente de fuga a través del aislamiento, en función de la tensión continua aplicada, nos informa de corrientes de defecto importantes y por lo tanto de posibles puntos débiles en el aislamiento.

La medición se efectúa en principio fase por fase, aplicando una tensión continua al devanado de una fase y midiendo la corriente que circula a través del aislamiento de la fase conectada, así como la corriente que fluye de las otras dos fases conectadas a masa.

La medición se efectúa según un programa de tiempos definido, según el cual la tensión de medición aumenta escalonadamente.

Analizando las curvas observamos las corrientes totales y de derivación, medidas fase por fase, así como los valores característicos consecuencia de las mediciones. Los resultados nos permiten obtener información sobre las faltas de homogeneidad eventualmente existentes en los devanados (fig. 5).

Figura 5

Continua en: Diagnosis de grandes máquinas rotativas (y Parte 2ª)
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