Presentación Manejo Equipo SKF Baker DX15

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Entrenamiento Manejo Baker D1X15

SKF Condition Monitoring

¡Bienvenidos! October 30, 2007 © SKF Group Slide 1

Presentación de los Asistentes Nombre Cargo Actual

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Análisis Estático

Talleres Einstein Wilmar León Agosto 17, 18 de 2017

Vida útil del aislamiento

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Aislamiento dieléctrico en un motor •

De los distintos componentes que constituyen una máquina eléctrica rotativa, el sistema aislante es el que se presenta más susceptible al envejecimiento o al daño.

•

En una encuesta realizada a usuarios de grandes motores asíncronos en USA, se comprobó que el 36% de problemas ocurridos fueron surgidos en el aislamiento del estator que degeneraron en cortocircuito. Otro 9% de fallos se debieron a problemas surgidos en los devanados retóricos manifestados como problemas de barras.

•

De esta manera se puede decir que las averías en los devanados y sobre todo en los estatóricos influyen substancialmente en la vida del motor.

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Causas de Fallas de Motores Eléctricos Estudio EPRI

Estudio IEEE

Rodam. 44%

Otros 22%

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Rodam. 41%

Rotor 8%

Estator 26%

Otros 14%

Rotor 9%

Estator 36%

Areas de Fallas de Motores

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Sistemas de aislamiento

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Rigidez dieléctrica de un aislamiento bueno

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Rigidez Dieléctrica

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Rigidez Dieléctrica

• ¡La rigidez dieléctrica del aislamiento bueno es muy alta!

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Rigidez dieléctrica La rigidez dieléctrica de un buen aislamiento es mucho mayor que las tensiones de prueba. Ejemplo: 1.

Si consideramos que un motor trabaja con 460 voltios. El aislamiento combinado que se obtendría dentro del motor sería de: 28,000 voltios DC.

2.

El voltaje de prueba recomendado para realizar las pruebas de aislamiento según norma sería de 460*2+1000= 1920 voltios

3.

1920 voltios es aproximadamente 7% del aislamiento del slot (ranura) y 25% de la rigidez dieléctrica del conductor cobre (alambre)

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Temperatura en el devanado

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Delta R

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Capacidad Térmica Vs Altitud

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Cual debería ser la vida útil del aislamiento?

• Aislamiento moderno a temperatura de placa. •100,000 horas •11 años –24 h., Todos los días, Todos los años / •33 años -8 h., Todos los …

• Hagamos un calculo rápido… • Vida normal 100,000 horas (aprox. 11 años) • Por cada 10°C vida se reduce a la mitad • 20°C implica reducción a un cuarto del tiempo • Nueva vida aprox. 3 años

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Causas de fallas en los aislamientos

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Fallos eléctricos

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Fallos eléctricos

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Rigidez dieléctrica

• Envejecimiento térmico: Aproximadamente: por cada 10º C de incremento en la temperatura, la vida del aislamiento se reduce en un 50 %

• Picos en la línea: Tormentas eléctricas

-Picos de conmutación

• Mecánicos: Fallas de Rodamientos / Caídas del rotor (golpes) / Ingestión de partículas Químicos / Aislamiento “marcado” durante el bobinado

• Movimientos del bobinado en el arranque: D.E. Crawford, General Electric Company

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D.E. Crawford, “A Mechanism of Motor Failures.” General Electric Company, 75CH1014-0-EI-19.

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Como se inician los problemas en las bobinas

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Como se inician los problemas en las bobinas

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Como se inician los problemas en las bobinas

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Como se inician los problemas en las bobinas

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Picos de voltajes cuando los contactos del contactor cierran

Los motores normalmente ven altos picos de voltaje durante arranques, paradas y aún En pleno funcionamiento.

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Picos de voltajes cuando los contactos del contactor cierran

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Ley de Paschen

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Efecto de auto transformador

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Tiempo de falla de un motor con cortocircuito entre espiras

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Ciclo de un problema eléctrico • Rigidez dieléctrica de un motor nuevo es muy alta (1) • Envejecimiento normal del motor por efecto de: Térmicas, Químicas, Mecánicas (2) • La resistencia dieléctrica cae por debajo de lo normal (3) • El aislamiento comienza a deteriorarse más rápido (4) • La resistencia dieléctrica cae por debajo del nivel del voltaje de operación (5) • El efecto de auto transformador genera muy altas temperaturas (6) • Fallo a tierra (7) • El motor se quema Una vez que comienza un arco entre espiras, el aislamiento se deteriora mucho más rápido y la rigidez dieléctrica cae rápidamente por debajo de la tensión de funcionamiento. Pronto, la espira se suelda con otra causando alta corriente inducida que se traduce en temperatura muy alta. Este calor quema rápidamente a través del revestimiento de la ranura a tierra resultando en una falla catastrófica. El tiempo entre el paso 4 y el paso 7 es menos de 15 minutos

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Rigidez dieléctrica

La disminución de la rigidez dieléctrica no es lineal. La disminución de la rigidez será Más rápida conforme al debilitamiento gradual del aislante.

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Análisis estático

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Equipos para análisis estático

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Secuencia de la pruebas • Medición de resistencias óhmica • Prueba de Resistencia de Aislamiento a Tierra • Prueba de IP (Indice de polarización)/ AD (absorción dieléctrica). • Prueba de HiPot • Prueba de surge Baker Instruments recomienda seguir la secuencia de las pruebas arriba mencionadas. No se recomienda pasar por alto alguna de ellas sin que se corrijan problemas encontrados Siguiendo la secuencia.

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Desarrollo de las pruebas

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Resistencia Ohmica

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Resistencia Ohmica • Para poder realizar la prueba de resistencia Ohmica se requiere contar con un equipo muy preciso.

• El éxito para poder obtener un buen valor de resistencia ohmica es llevando una tendencia de su comportamiento.

• Para asegurar una buena lectura de la resistencia el equipo debe tener la capacidad de leer hasta 0.001 ohm y ser aplicar varios amperios a bajas tensiones (voltajes).

• Para lograr lo antes mencionado, el mejor método a utilizar sería el de puente Kelvin Los equipos de Baker Instruments cuentan con las capacidades para poder realizar la Medición de resistencia ohmica de manera muy exacta

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Resistencia Ohmica con equipos Baker • Para poder realizar la prueba de resistencia ohmica con equipos Baker, este se debe de configurar en la siguiente pantalla (equipo AWA IV).

• La compensación de temperatura es decisión del usuario y se podrá ajustar.

• El Delta Max. Es esencial. • Al mismo tiempo el cliente decidirá si desea corregir los valores de resistencia de acuerdo a lo recomendado por norma (40°C).

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Un poco de concepto •La prueba de resistencia Ohmica es la primera prueba que se realiza con la intensión de conocer la condición y estado de los conductores (alambre de cobre) de las bobinas.

• La prueba consiste en inyectar una corriente constante conocida por los conductores de las

bobinas y medir las caídas de voltaje por la bobina. El valor de la resistencia será calculado en base a la ley de Ohm.

• Si los conductores se encuentra en cortocircuito por algún lado de la bobina la resistencia será menor de lo normal.

• Este valor menor de la resistencia de la bobina puede ser comparado con mediciones

anteriores de la misma bobina, bobinas idénticas, o en comparación con el valor de placa y de esta manera identificar bobinas en mal estado.

•Los valores obtenidos también pueden ser mas altos de lo normal debido a conexiones sueltas o corroídas.

• El valor de resistencia medida se ve afectada por la variación de la conductividad del cobre con la temperatura. El valor de la resistencia medida debe ser corregida a una temperatura común por lo general a una temperatura común de 25°C (IEEE 118) antes de comparar 2 mediciones diferente.

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Un poco de concepto •La medición de resistencia ohmica en un motor periódicamente permitirá poder identificar problemas en los motores eléctricos debido a contaminación, corrosión, etc.

• Muchos motores cuyas bobinas tienen resistencias muy bajas la corriente inyectada tendría que tener muchos amplificadores para poder medir con exactitud la caída de tensión en las bobinas.

• La dificultades más comunes para poder medir con exactitud las caídas de tensión en una

bobina son los efectos de la resistencia de contacto de las conexiones internas y la resistencia de contacto de los terminales (clip) usados para conectar a los devanados del motor.

•Las resistencias de contacto pueden ser igual o incluso mayor que algunas resistencias de los mismos bobinados.

• El instrumento utilizado para medir la resistencia de una bobina debe ser capaz de poder identificar el cambio de resistencia en una bobina provocada por un cortocircuito en los devanados.

• El AWA tiene la capacidad de poder medir la resistencia de hasta 1 mili-ohm de resistencia utilizando 4 cables.

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Como mide el Baker-AWAIV-12? •Baker AWAIV realiza la medición de resistencia comparando la diferencia en porcentaje (%)

de los 3 terminales utilizando el calculo de MAX Delta R. El usuario define los límites aceptables del valor Delta R para cada motor y de esta manera el AWA identificará problemas.

• Cuando se detecta un problema debido a la superación de los valores de Delta R

introducidos, no es recomendable continuar con la prueba hasta que el problema sea resuelto. Sin embargo el equipo si permitirá realizar las demás pruebas.

• El AWA también puede comparar el valor de resistencia obtenido con un valor dado por el mismo fabricante del motor.

Baker AWAIV-12 puede realizar mediciones de resistencia con los cable de prueba para alta tensión como también puede utilizar los cables suministrados para baja tensión.

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Modos de medición

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Cual utilizar? •Definitivamente que es mucho mejor utilizar los cables de medición de bajo voltaje debido a que no son influenciadas por la resistencia de contacto de los cables de prueba ya que el método utilizado por los cables de bajo voltaje es el de 4 hilos o Kelvin. Como resultado de esto los cables de prueba de bajo voltaje darán resultados más precisos dando la posibilidad de evaluar daños con exactitud hasta 0.001 ohm/1mili-ohm.

•Para que podamos evaluar daños en las bobinas con medición de resistencia el equipo tiene ser capaz de detectar cambios de 1-5%.

• Lo ideal es siempre corregir los resultados de la resistencia por el valor de corrección de temperatura es decir la temperatura de los devanados deberá de ser ingresado.

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Problemas a identificar con medición de resistencia ohmica •Diferentes números de vueltas en una bobina por fase. • Diferentes diámetros de cobre (alambre) • Altas resistencias en las conexiones • Cortocircuito entre espiras • Espiras quebradas –Hilos interrumpidos

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Valores de resistencia recomendados

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Resistencia Aislamiento a Tierra

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Un poco de concepto •La prueba de resistencia de aislamiento a tierra permitirá identificar problemas como: Determina si el motor fallo a tierra, contaminación por superficie, humedad, etc.

•Esta prueba no puede asegurar el estado del motor: si esta 100% bueno, encontrar fallos espira a espira, encontrar fases abiertas, fallas entre fases. CARACTERISTICAS:

• Altamente sensible a la temperatura y humedad • Para que los datos sean consistentes se debe corregir el valor por temperatura • Motor limpio es mejor • Solo brinda información de cortocircuitos a tierra (no entre espiras).

La prueba de Meg-Ohm debe realizarse con la temperatura corregida a 40°C

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Tensiones de prueba (IEEE 43-2000) V LINEA (AC)

V PRUEBA (DC)

< - 1000

500

- 1000-2500

500-1000

-2500-5000

1000-2500

-5000-12000

2500-5000

>-12000

5000-10000

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Influencia de la temperatura • El valor resistivo de aislamiento se reduce a la mitad por cada 10°C de temperatura que aumente.

• Para obtener resultados reales cuando se realice la pruebe de Meg-Ohm se debe corregir la temperatura a 40°C Ejemplo:

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Valores recomendados por norma

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Indice de polarización (IP)

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Un poco de concepto La prueba de índice de polarización busca evaluar lo siguiente:

• Determina la elasticidad del aislamiento a tierra. • Los sistemas de aislamiento viejos polarizan muy rápido. • Los sistemas de aislamiento nuevo no polarizan rápido. • Una vez más esta prueba solo detectará problemas a tierra y no problemas entre espiras.

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Absorción Dieléctrica Debido a que los nuevos sistemas de aislamiento no polarizan mucho se invento la prueba de absorción dieléctrica (AD).

AD= IR3min / IR30 seg.

•IEEE 43-2000 “ Si IR a 1 min. es mas grande que 5000 Mohms, el IP puede no ser significativo. En estos casos el IP debe ser descartado como medida de la condición del aislamiento.”

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Precauciones Las pruebas de IP/AD son muy difíciles de realizar correctamente. Antes de tomar un conclusión sobre los resultados que muestren las pruebas de IP o AD deberíamos de tener en cuenta lo siguiente:

• El aislamiento se debería de polarizar? • Esta el motor contaminado (Húmedo, sucio, sustancias químicas, etc) • La corriente inicial de fuga es insignificante. Nota.Posterior a la pruebas de IP/AD los motores quedan polarizados. Para depolarizarla el motor debe de colocarse a tierra por un tiempo mayor al de la prueba.

• Ambas pruebas nos indicaran problemas de aislamiento a tierra deteriorado o débil. • Un motor seco puede exceder los 20mil meg-ohm fácilmente a 10 minutos. • El instrumento tiene que ser capaz de medir al menos 20mil megohms. Es preferible que pueda medir hasta 50mil megohms

• Aislamientos resecos, endurecidos, fragilizados, etc.

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Tensiones de prueba para IP/AD (IEEE 43-2000) V LINEA (AC)

V PRUEBA (DC)

< - 1000

500

- 1000-2500

500-1000

-2500-5000

1000-2500

-5000-12000

2500-5000

>-12000

5000-10000

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Valores PI recomendados por norma IEEE 43-2000 NEMA CLASE A

1.5

NEMA CLASE B

2.0

NEMA CLASE F

2.0

NEMA CLASE H

2.0

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Algunos consejos prácticos 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

El aislamiento bueno debería de exceder fácilmente los 20 Megohms. Cuando se le hace seguimiento continuo a un motor es suficiente que el IP sea 1. La temperatura debe estar por debajo de 40°C pero por encima de la temperatura ambiente. Esto reducirá la posibilidad de condensación incrementando la corriente de fuga superficial. Las corrientes de fuga suelen ser muchas veces por húmedad en la caja de conexiones. Es recomendado (Industry Standard) que el voltaje de PI sea igual o exceda el valor numérico de voltaje de tensión de trabajo. Los motores y generadores pequeños suelen polarizarse antes de los 10 minutos. Se recomienda que se realice prueba de IP a motores por encima de 100 HP. Motores menores a 100 HP se recomienda realizar AD. Para el ensayo de AD los tiempos de análisis pueden variar sin embargo es una excelente usar el de 3 minutos y 30 seg.

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High Potential (HiPot)

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Prueba HiPot…ensayo destructivo?

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Aislamiento esperado Cuando evaluamos un motor eléctrico realizando pruebas estáticas esperamos obtener:

• Elevada rigidez dieléctrica • Capacidad de conservar las propiedades del aislamiento.

Vida útil esperada según normas del sistema aislamiento:100.000horas@ Temperatura Máxima según clase de aislamiento.

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Tipos de prueba HiPot Existen 3 tipos de pruebas HiPot que se pueden realizar.

1.

Prueba de HiPot Convencional.- es la que permite llegar de manera muy rápida a la tensión de prueba. Se puede utilizar para la fabricación de bobinas y cables.

2.

Prueba de HiPot Rampa.- Es la prueba que permite elevar el voltaje de manera mas lenta (fijado por el usuario). Permitiendo de esta manera identificar las fugas de corriente en la superficie sin necesidad de alcanzar un nivel crítico.

3.

Prueba de HiPot Step Voltage.- Es la prueba menos estresante que las otras debido a que el voltaje a aplicar y el intervalo de tiempo es preestablecido por el usuario. Esto permite que las fugas de corrientes también se estabilicen.

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Modelo del aislamiento del devanado un motor eléctrico •

El circuito es modelado por series de circuitos RC (resistencias y capacitores) entre conductores y a tierra.

•

Un cambio en el aislamiento, cambiar los valores de R o C. Los valores de RC en cada fase están asociados a las espiras en cada fase. Los valores de RC a tierra están asociados al aislamiento entre conductores y entre conductores con tierra para el circuito completo. La capacitancia es una función directa de la generación de dipolos dentro del aislamiento. Un buen aislamiento produce la polarización de muchos dipolos y la capacitancia decrece

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Modelo del aislamiento del devanado un motor eléctrico • 

Un corto entre espiras cusa cambios en la capacitancia. Cambio en la reactancia del circuito y calentamiento debido al esfuerzo que hace el circuito del aislamiento para polarizar los dipolos con el voltaje de operación aplicado.

•

Contaminación en el devanado causa un cambio resistivo y capacitivo entre superficies aislantes.

• • •

A voltaje de diseño, la mayoría de defectos no son aparentes. Los problemas que son detectados a tensión de operación es debido a su severidad. Un cambio de impedancia (resistencias + reactancia) del circuito RC indica que la falla esta muy avanzada.

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Principio de la prueba de HiPot •

Solo evalúa el aislamiento entre los conductores y la pared de la ranura del núcleo estatórico. Provee información valiosa de la fuerza dieléctrica del aislamiento.

• •

NO detecta fallas entre vueltas/espiras o cortos.

• •

Se recomienda que el devanado este seco y limpio antes de iniciarla. Carcaza del motor debe estar aterrizada. RTD y otros devanados deben estar aterrizados. Debe estar aislado de equipo electrónico.

Baker Instruments recomienda utilizar HiPot del tipo Step Voltage en motores eléctricos

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Porque realizar la prueba de escalón (step) • • •

Sistemas de aislamiento muchas veces fallan gradualmente mientras se aplica el voltaje. La prueba de Hipot comúnmente aumenta hasta el voltaje de prueba rápidamente, y en la escala mas gruesa. Cualquier aumento no lineal en corriente que indique una falla no puede ser visto con tal método. Contando con que la escala de corriente esta puesta en el rango más sensible durante cada paso de la prueba de Escalón, los cambios, aún pequeños, pueden ser vistos.

Beneficios y Usos

• • • •

Estresa menos a los bobinados Útil cuando la condición de la máquina es desconocida o sospechosa. Útil cuando se requiere realizar más ensayos. Útil cuando el motor tiene contaminación por humedad.

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Características de HiPot Step Voltage • • • •

Divide el máximo voltaje en varios pasos.

•

Un ligero aumento de corriente (alza en la línea graficada) indica una falla en el aislamiento. La prueba debería ser detenida inmediatamente para prevenir un daño al aislamiento

• •

Un re-acondicionamiento o reemplazo del motor debe ser programado.

El voltaje se mantendrá por un intervalo de tiempo en cada paso. La corriente de paso será medida al final de cada paso. Las corrientes al final de cada paso son graficadas. Cada punto debe estar en línea recta de lo contrario existirá un problema.

La prueba de HiPot realizada con equipos Baker es programada por el operador.

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Detalles de la prueba de HiPot Step Voltage • • • •

Empieza al final de prueba de PI-AD.

• • •

Al final del tiempo requerido, grabe la corriente.

Aumenta voltaje hasta primer “step.” Sostiene voltaje por el plazo de tiempo requerido. Mientras sostiene el voltaje, ajuste la escala de corriente hasta que la lectura de corriente sea precisa. Cambiar la escala de corriente a la menos precisa para el próximo paso. Aumentar el voltaje al próximo “Step”

Porque aumentar el voltaje por pasos??

• • •

El cobre, aislamiento y el hierro forman un capacitor. Cuando el voltaje a través de un capacitor cambia, una corriente se produce (I=C * ΔV/ΔT). Durante la fase de aumento de tensión de la prueba HiPot, la mayor parte de la corriente es corriente de carga capacitiva.

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Detalles de la prueba de HiPot Step Voltage • •

La Corriente de Fuga es “opacada” por la Corriente Capacitiva de carga. Una rampa lenta reduce la Corriente Capacitiva de Carga en relación a la Corriente de Fuga.

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Tensión de prueba HiPot

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Tensión de prueba HiPot

NEMA MG-1 es otra norma estándar para las pruebas de HiPot. Los valores de tensión Para las pruebas son ligeramente mayores a las de la IEEE. Para motores nuevos recomiendan 3264 VDC y para motores en servicio 2448 VDC (1440 VAC*1,7).

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Tensión de prueba HiPot

Las recomendaciones de baker son ligeramente mayores para motores de baja tensión. Pero menor para los motores de media y alta tensión.

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Tensión de prueba HiPot

EASA (Electrical Apparatus Service Association) recomienda valores de prueba Mayores a los recomendados por Baker e IEEE. EASA representa la mejor norma para Analizar motores eléctricos.

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Test Surge

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Prueba Surge • No es un concepto nuevo. Los primeros ensayos se realizaron en 1936. • Desarrollado por General Electric & Westinghouse. Que podemos identificar con Surge Test

• Con surge Test se puede identificar problemas de débil aislamiento entre: espira a espira, fase a fase, bobina a bobina.

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Principio de surge test • La prueba de surge consiste en aplicar por tiempo de subida muy rápidos altos IMPULSOS de corrientes a los bobinados.

• Este impulso de corriente provocara una diferencia de tensión entre espiras que son parte del bobinado.

• Si el aislamiento entre 2 espiras, fases o bobinas es muy débil, la diferencia de voltaje es bastante alta se creara un arco eléctrico.

• El arco eléctrico provocara un cambio en el patrón de la onda que muestre el equipo. • La prueba de impulso se realiza con un generador de impulsos y una pantalla donde se mostrara el patrón de la onda formada por el aumento de los impulsos.

• Los cambios de la forma de onda cuando existe un problema entre espiras puede ser: un desplazamiento del patrón de onda a la izquierda o una disminución en la amplitud de la onda.

• El patrón de la onda observada durante una prueba de impulso o surge esta directamente

relacionada con la inductancia de la bobina. Hay otros factores que influyen en el patrón de la onda pero la inductancia en la principal.

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Principio de surge test • La bobina se convierte en uno (1) de dos elementos en lo que se conoce como un circuito

LC que es el resultado de la inductancia de la bobina y la capacitancia interna del probador de impulsos.

• La inductancia de una bobina es determinada por su geometría, el número de vueltas del alambre y el tipo de núcleo de hierro.

• La frecuencia del patrón de la onda se define con la siguiente fórmula:

• Esta fórmula implica que cuando disminuye la inductancia la frecuencia del patrón de la onda aumenta.

• Se podrá observar un problema entre espiras cuando la frecuencia de resonancia del circuito LC aumenta.

• Si el potencial de voltaje que se crea entre vueltas es mucho mayor al del aislamiento entonces el corto se podría dar en varias espiras.

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Principio de surge test • Cuando existe un corto entre espiras entonces habrá menos vueltas en una bobina lo que ocasionara un cambio en la inductancia de la bobina y un aumento de la frecuencia.

• El voltaje o amplitud del patrón de onda disminuye por el cambio en la inductancia. Esto es determinado por la siguiente fórmula: Donde la corriente varía con el tiempo.

• Cuando el aislamiento entre espiras es débil el resultado es un arco de baja enería un

cambio en la inductancia. Cuando esto ocurre el patrón de la onda se vuelve inestable, puede cambiar rápidamente a la izquierda y a la derecha y de nuevo volver a la posición original.

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Error de área • Al probar motores trifásicos las formas de onda de las 3 fases pueden ser probadas entre si. Todas ellas deben ser prácticamente el mismo (se debe ver una sola forma de onda) misma forma, amplitud.

• Sin embargo en la práctica las 3 formas de onda no serán las mismas físicamente lo

ocasionara ligeras diferencias entre los patrones. La pregunta sería: Cuanto permisible sería este error?

• El Error Área Ratio (EAR) fue desarrollado para poder responder a cuanto de error podría

permitirse entre los patrones de onda de un prueba Surge. El EAR da un número cuantitativo a lo diferente que pueden ser 2 formas de onda. El EAR se define como: Si dos formas de onda son exactamente las mismas el valor EAR será cero. EAR es utilizado para motores desarmados

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Error de área • Dos formas de onda que son casi exactamente las mismas tendrán valores de EAR de 3 o 4%.

• Formas de onda con una separación evidente tendrán valores EAR por encima de 10%. • A esta aplicación de comparación del patrón de una onda de una fase con otra se le llama EAR L-L (línea- línea ).

• Una segunda aplicación es usar la formula de EAR para evaluar una forma d eonda individual o fase. Esta aplicación se denomina pp EAR. (pulso – pulso).

Este gráfico muestra la caída de voltaje Sobre las espiras a través de los bobinados

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Distribución de tensión

Este gráfico muestra el porcentaje de tensión que afectan a la primeras vueltas del bobinado. Se observa que los picos de tensión en pleno servicio son de 2-3 micro segundos.

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Surge Test

El cortocircuito entre espiras causa un cambio en la inductancia (L) y el resultado es un Cambio en la forma de onda.

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Resultado bueno

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Resultado negativo

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Influencia del rotor Acoplamiento retórico:

• • • • • • • • •

(EAR L-L