Son diversas las aplicaciones en las que se encuentran motores eléctricos de bombas centrífugas operando en condiciones adversas. Ya sea por ambientes húmedos, altas temperaturas, poca ventilación, efectos de onda reflejada en cableado de alimentación, contaminantes en el aire o por contaminantes inherentes del proceso del cual forman parte. Todas estas condiciones tienen un impacto en el desempeño y la vida útil del aislamiento eléctrico del motor.
En motores eléctricos, los materiales aislantes son aquellos que restringen el paso de la corriente eléctrica, proporcionando seguridad operativa para usuarios (personas) y los equipos mismos. Principalmente se encuentran en el estator, sección estática donde se alimenta eléctricamente los bobinados (arrollamientos de cable) y se desarrolla el campo magnético rotativo de la máquina. En la tabla 1, se listan los tipos de materiales aislantes más comunes, cuyas funciones principales son las de aislar (separar) las bobinas de diferentes fases entre sí, aislar las bobinas del la carcasa (aislamiento a tierra), aislar las láminas del núcleo magnético, facilitar la transferencia de calor y proveer soporte mecánico al bobinado.
La evaluación de la integridad del aislamiento eléctrico, es una práctica común dentro de las labores de mantenimiento electromecánico, como una medida preventiva y predictiva. Para dicha evaluación se han normado varios tipos de pruebas como lo son: medición puntual de aislamiento (IR), índice de polarización (PI), polarización – despolarización (PDC), descarga dieléctrica (DD), Capacitancia ( c ); tangente delta (tan δ), Impulso (Surge), Alto potencial (Hi-Pot) y descargas parciales (PD). Para efecto de este documento se ahondará más en la medición puntual de aislamiento (IR), índice de polarización (PI) y su variante índice de absorción dieléctrica (DAR). Esto pues, son pruebas que se pueden realizar de forma sencilla, con un entrenamiento moderado y con un equipo accesible para la mayoría de los departamentos de mantenimiento.
Básicamente las pruebas de IR, PI y DAR, son pruebas no destructivas en corriente directa (DC) en las que un instrumento de medición de aislamiento comúnmente conocido como “Megger” (marca registrada para este tipo de equipos) inyecta un voltaje DC entre una fase del motor y la carcasa de este o entre fases distintas. El principio de medición consiste en que a un voltaje DC conocido, se establezca una corriente medible y por ley de Ohm se obtenga un valor de resistencia, considerando así los efectos que la humedad, contaminantes e imperfecciones en el aislamiento proporcionan una mayor o menor resistencia al paso de corriente. Esta resistencia de aislamiento, desde el punto de vista de carga eléctrica, es particular en este tipo de materiales en los cuales prevalecen 2 tipos de cargas: cargas libres (electrones que se desplazan dando paso a una corriente eléctrica, y cargas asociadas (dipolos, cargas positivas y negativas que giran sobre su eje por efecto de orientación con cargas eléctricas externas.
La norma IEEE 43-2013 (antecedida por la IEEE 43-2000) establece cómo realizar las pruebas IR, PI y DAR y la interpretación de los resultados. En la sección teórica de la norma, se indica que al aplicar un voltaje DC en polarización inversa (positivo del instrumento a la carcasa del motor y negativo a la bobina en prueba, por efecto de electroendosmosis) se establecen 4 tipos de corrientes. Ver figura 2.:
Corriente capacitiva: Es la corriente que fluye por el efecto capacitivo del campo eléctrico que se genera entre el cableado del bobinado (actuando como placas del capacitor) y el aislante (actuando como dieléctrico). Esta corriente decrece en el primer minuto de la prueba.
Corriente conductiva: Es la corriente que fluye por el medio aislante debido a imperfecciones en este ya que no existe un material aislante perfecto. Esta corriente para aislantes nuevos y en buen estado, es casi cero.
Corriente de fuga: Es la corriente que fluye por los contaminantes del material aislante (humedad, polvo, grasa, etc.) Esta corriente permanece constante en el tiempo.
Corriente de absorción: Corriente asociada a los dipolos y su orientación en el material aislante. Cuando se establece un campo eléctrico las cargas positivas y negativas de las moléculas del material tenderán alinearse en función de su carga contraria.Corriente total: Es la suma de todos los efectos descritos anteriormente. En los primeros minutos de la prueba presenta un decrecimiento exponencial y luego se estabiliza a un valor constante. Si el aislamiento está en buen estado, esta corriente decrece rápidamente y cual si fuera un efecto “espejo” la resistencia del aislamiento tiene de crecer exponencialmente y presentar un comportamiento asintótico o lineal tras varios minutos de ejecutada la prueba.
Prueba de medición puntual de resistencia de aislamiento (IR)
Según la normativa IEEE 43-2013, es una prueba que se realiza con polarización inversa inyectando un voltaje de corriente directa entre la carcasa del motor y cualquiera de sus fases o entre diferentes fases. El tiempo mínimo de ejecución para esta prueba es de 1 minuto, tiempo suficiente para obtener una adecuada polarización en el material aislante. Al realizar esta prueba se tiene que tener claro conocimiento de cuál es la distribución correcta de las bobinas para un motor de 6,9 y 12 terminales en el caso de un motor trifásico y cuáles son las bombinas auxiliar y principal para el caso de un motor monofásico. Además durante la prueba, la norma sugiere retirar cualquier placa puente en los bornes de conexión (para configuraciones estrellas – delta), cableado de alimentación, capacitor de arranque, y jamás realizar esta prueba cuando un motor esté vinculado a un variador de frecuencia (VDF) pues la corriente DC podría dañar la sección de potencia del VDF. Otra sugerencia es conectar a tierra (misma que el equipo de medición) las punta de las bobinas que no estén vinculadas al proceso de medición en ese momento.
En la tabla 2. Se indican los valores de voltaje a aplicar según el tipo de alimentación del motor y en la tabla 3 se indican cuál es mínimo valor de resistencia de aislamiento esperable.
De la tabla anterior se debe notar que los valores referidos están a una temperatura de 40 °C, para temperatura distintas a esta se deberá hacer una corrección según se indica en la ecuación:
Donde:
Rc = Resistencia al aislamiento corregida (MΩ)
KT = factor de corrección por temperatura
RT = Resistencia de aislamiento medido a la temperatura T. (MΩ)
T = temperatura de ejecución de la prueba (°C)
Según lo indicado en la tabla 3, el valor mínimo de resistencia de aislamiento para la mayoría de los motores es 5 MΩ entre fases y tierra y entre fases, pero en la práctica se recomienda como valor de alerta valores por debajo de los 100 MΩ.
El verdadero valor de una medición puntual de aislamiento no se obtiene con un único valor, si no con una colección de datos que permita establecer una tendencia y de esta poder inferir y predecir condiciones operativas. Tal cual se muestra en la figura 3 para un caso hipotético y hasta exagerado, hay un conjunto de mediciones puntuales realizadas a un mismo motor en el cual el motor tiene un aislamiento inicial de 300MΩ y con el pasar del tiempo los valores empiezan a decaer al punto A (250 MΩ) y en el punto B (100 MΩ). En este punto y suponiendo, el motor falla por aislamiento, dando como resultado su salida de operación y generando las afectaciones al proceso al cual estaba vinculado. El motor se envía a rebobinar y es típico hoy en día obtener motores reparados con un aislamiento mayor a que se tenía de fábrica, punto D (500 MΩ). Operando bajo las mismas condiciones se aprecia un nuevo decrecimiento en la resistencia de aislamiento y gracias al trazo de tendencia se considera oportuno tomar acción cuando el valor sea 200 MΩ.
El monitoreo y registro de estos datos es una labor recomendada para todos aquellos que tengan bajo su tutela la gestión del mantenimiento de bombas centrífugas, sobre todo aquellos equipos que operen en condiciones adversas.
Medición del índice de polarización (PI) e índice de absorción dieléctrica (DAR)
Al igual que la prueba IR, los indicadores PI y su variante DAR se obtienen por la aplicación de un voltaje DC en polarización inversa, en un tiempo de ejecución de 10 minutos para PI y 1 minutos para DAR. Al tratarse de indicadores, son valores adimensionales que resultan de la división de un valor de resistencia final contra un valor de resistencia inicial. Como se mencionó anteriormente, la corriente total decae progresivamente al mismo tiempo que la resistencia de aislamiento tiende a incrementar. Para el caso del indicador PI, se considera el cociente de la resistencia de los 10 minutos entre la resistencia a 1 minuto. En el caso del indicador DAR, se considera el cociente de la resistencia al 1 minuto entre la resistencia a los 30 segundos.
En la tabla 4 se indican los valores de los indicadores PI y DAR y su respectiva interpretación. La prueba PI es recomendada para motores con estatores de devanados de pletina y la prueba DAR para motores de baja potencia (menos de 100 HP) con devanados de alambre redondo. Ambas pruebas buscan limitar la sensibilidad a la temperatura que se presenta en la prueba IR, e indicar el estado de aislamiento por efecto de humedad y otros contaminantes. En la práctica, para motores de baja potencia y de devanados de alambre redondo, se suele considerar únicamente las pruebas IR y DAR ya que la polarización se logra obtener en tiempos menores a los 10 minutos y muchas veces basta con la prueba IR puntual.
Las pruebas de medición de resistencia de aislamiento en un motor eléctrico (IR, PI y DAR) proporcionan de forma sencilla un indicador del estado del aislamiento, y con una adecuada gestión de la información generada a lo largo del tiempo, afianzan el criterio para tomar decisiones a nivel preventivo y hasta predictivo. Estas pruebas están amparadas por normativa accesible, requiere de un entrenamiento básico y del uso de instrumentación con un impacto costo – beneficio positivo para la seguridad de usuarios y equipos.
Algunas recomendaciones:
- Operar motores eléctricos de bombas de acuerdo a lo indicado en su placa de datos, voltaje, frecuencia, carga (conocer las curvas características), temperatura ambiente, etc
- Monitorear con regularidad la temperatura ambiente y la temperatura superficial del motor apegado a las temperaturas máximas operativas por tipo de aislamiento.
- Restringir condiciones operativas húmedas y con contaminantes los cuales impactan negativamente el desempeño del aislante eléctrico del motor.
- Para motores eléctricos de bombas operados con variador de frecuencia y sin filtros dv/dt ni cables apantallados, no exceder el cableado de alimentación en 50 mts. Esto para evitar las sobretensiones por efecto de onda reflejada.
- Siempre que sea posible, realizar las pruebas de medición de resistencias al menos cada 6 meses.
- Registrar los resultados de las pruebas a modo de obtener tendencias y facilitar inferencias posteriores.
Fuentes:
- Normativa IEEE 43 – 2000
- Normativa IEEE 43 – 2013
- Máquinas Eléctricas. Stephen J. Chapman. Quinta Edición.
- Máquinas Eléctricas. Apuntes ITCR. Ing. Oscar Nunez.