Inspección de Sistemas (Instrumentos y Pruebas de Aislamiento)

Curso de Instalaciones Eléctricas Industriales

ENINSELEnsayos y Mediciones Eléctricas Fundación Instituto de Ingeniería

INSPECCIONES DE SISTEMAS ELECTRICOS

La inspección de un sistema eléctrico tiene como finalidad la evaluacion del estado operacional de los componentes y equipos que lo conforman.





INSPECCIÓN SISTEMAS ELECTRICOS: INSTRUMETOS USO COMUN

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INSPECCIÓN SISTEMAS ELECTRICOS: INSTRUMETOS USO COMUN

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE USO COMÚN

En la lámina anterior se muestran los intrumentos de uso común en la inspección y mantenimiento de los sistemas eléctricos. Lo mínimo que debe poseer el personal técnico es un multímetro y una pinza amperimétrica de alta calidad. Con esta instrumentación básica se cubre por lo menos el 90% del ámbito de accíón.

Con ayuda de estos dos equipos se pueden determinar presencia o ausencia de tensión, nivel de tenión, caídas de potencial, regulación del sistema, continuidad, corrientes de carga, frecuencia de la red, estado operacional de dispositivos de estado sólido (rectificadores, inversores) y con algunas limitantes, se puede determinar perfiles de carga, corrientes de arranque, etc.

Los estudios más especializados del sistema de potencia, tales como perfiles de carga detallados, perturbaciones transitorias, armónicos, impedancias armónicas, evolución temporal de tensión y corriente, niveles de aislamiento, verificación de la operatividad de protecciones, resistencia de contacto y puesta a tierra requeriran de la utililización de equipamiento más sofisticado. En la siguiente lámina, se observa un estudio de variables eléctricas de la red realizado con un equipo registrador de eventos.



INSPECCIÓN SISTEMAS ELECTRICOS: REGISTRO DE EVENTOS

Tensiones y corrientes Vs tiempo Perfiles de demanda eléctrica.

Fasores de tensión, corriente e impedancia del sistema Contenido armónico



INSPECCION DE SISTEMAS: PRUEBAS DE AISLAMIENTO DE EQUIPOS

ELECTRICOS



El aislamiento es la capacidad que tiene un material, denominado aislante de oponerse al paso de la corriente eléctrica. El aislante es una de las partes fundamentales de los equipos eléctricos y su degradación es causa principal de fallas inhabilitantes.

AISLAMIENTO ELECTRICO. CONSIDERACIONES



Las principales causas que hacen que el aislamiento eléctrico se degrade son:

Fatiga eléctricaLas sobretensiones y las bajas tensiones ocasionan fatiga anormal dentro del aislamiento que puede conducir a agrietamiento Del aislamiento.

Fatiga mecánicaPor daños mecánicos tales como golpear un cable cuando se excava una trinchera, operar una máquina fuera de balance o por paros y arranques frecuentes, vibraciones en máquinas rotantes.

Ataque químicovapores corrosivos, suciedad, aceite.

Fatiga térmicaOperación de maquinaria en condiciones excesivamente calientes o frías ocasionando sobre expansión o sobre contracción del aislamiento, arranques o paradas frecuentes (a menos que la maquinaria esté diseñada para uso intermitente.

Contaminación ambientalHumedad debida a los procesos industriales, humedad de un día húmedo y caluroso; ataque de roedores, etc.

Por todo lo anterior, se hace necesario hacer una evaluación periódica del nivel de aislamiento

AISLAMIENTO ELECTRICO. DEGRADACION



AISLAMIENTO ELECTRICO. RESISTENCIA DE ASILAMIENTO

Uno de los indicadores más útiles para la evaluación del aislamiento es la resistencia de aislamiento. Se define como la relación que existe entre la tensión aplicada y la corriente de prueba medida:

R = V/I

La corriente de prueba posee algunos componentes que complican la determinación de R. La medición de R se realiza a través de un instrumento denominado medidor de aislamiento el cual es un instrumento que proporciona una lectura directa de la resistencia de aislamiento en , M o T (según el modelo de aparato) e independiente de la tensión seleccionada. Un aislamiento en buen estado dará lecturas resistencia en el rango de M o en rangos mayores.



AISLAMIENTO. COMPONENTES DE LA CORRIENTE DE PRUEBA

Corriente de carga capacitivaEstá relacionada con la corriente requerida para cargar la capacitancia del aislamiento a probar. Inicialmente es grande, de vida relativamente corta, cae exponencialmente casi a cero conforme el objeto bajo prueba se carga.

Corriente de absorción o polarizaciónEstá compuesta hasta por tres componentes, que decaen con un índice de decrecimiento a un valor cercano a cero en un periodo de varios minutos. La primera es ocasionada por una deriva general de electrones libres a través del aislamiento bajo el efecto del campo eléctrico. La segunda es ocasionada por distorsión molecular que ocasiona el campo eléctrico impuesto, distorsionando la carga negativa de las capas de electrones que circulan alrededor del núcleo. La tercera, se debe a la alineación de moléculas polarizadas dentro del campo eléctrico aplicado. La polarización de orientación se incrementa con la presencia de humedad absorbida.

Corriente de fuga superficialLa corriente de fuga superficial se presenta porque la superficie del aislamiento está contaminada con humedad o con sales. La corriente es constante con el tiempo y depende del grado de ionización presente, que depende a la vez de la temperatura. Corriente de conducciónLa corriente de conducción es estable en el aislamiento y generalmente se representa por un resistor de valor muy alto en paralelo con la capacitancia del aislamiento. Es una componente de la corriente de fuga, que es la que se mide cuando el aislamiento está totalmente cargado y tiene lugar la absorción plena.



AISLAMIENTO. COMPONENTES DE LA CORRIENTE DE PRUEBA

Corriente de Carga capacitiva

Corriente total

Corriente deabsorción

Corriente de fuga

Debido a que la corriente total depende del tiempo que se aplica la tensión, la Ley de Ohm (R = E / I) sólo pudiese aplicarse, teóricamente, para un tiempo infinito (lo que implica esperar para siempre al tomar una lectura, cosa que obviamente no se hace en la práctica). También es altamente dependiente del arranque de un nivel base de descarga total. El primer paso en cualquier prueba de aislamiento es, por tanto, asegurar que el aislamiento esté descargado por completo.



Conforme se incrementa la tensión de prueba y el objeto bajo prueba se aproxima a la ruptura, la descarga por efecto corona ocasionará que la aguja “tiemble”. Esta advertencia sucede a tiempo para terminar la prueba antes de que ocurra la ruptura real, y el posible daño.

Para el operador con experiencia, la velocidad a la que viaja la aguja da a conocer información de la capacitancia del objeto bajo prueba. Esta es una propiedad útil en pruebas de cables de alta tensión, y se relaciona con las bases teóricas de las pruebas de descarga dieléctrica más sofisticadas.

Si la aguja avanza y retrocede alternativamente, podría indicar un arco en el objeto bajo prueba, demasiado pequeño para ocasionar la desconexión del probador. Tal información ayuda al operador a determinar algún problema.

INFORMACION DADA POR EL INSTRUMENTO DE MEDICIÓN



Prueba de lectura puntual (spot)

Es la más simple de todas y la más asociada con los probadores de aislamiento de tensión más baja. La tensión se aplica por un periodo corto específico de tiempo (generalmente 60 segundos ya que usualmente cualquier corriente de carga capacitiva decaerá en este tiempo) y luego se toma una lectura. Debido a que la resistencia de aislamiento es altamente dependiente de la temperatura, los resultados deben corregirse a una temperatura normalizada, generalmente 40° C. Una buena regla de dedo es que por cada 10° C de incremento en la temperatura la resistencia se reduce a la mitad. La clave para hacer válida esta prueba es mantener a través del tiempo registros efectivos de tendencia de los resultados.

MEDICION DE AISLAMIENTO. PRUEBA DE LECTURA PUNTUAL



PRUEBA LECTURA PUNTUAL. INTERPRETACION DE RESULTADOS



Su valor como un indicador de diagnóstico se basa en dos factores opuestos; la corriente de carga se desvanece conforme la estructura se carga, mientras que la “fuga” promovida por la humedad o el deterioro hace que la corriente se mantenga constante y comparativamente grande.El resultado neto es que con un “buen” aislamiento, la corriente de fuga es relativamente pequeña y la resistencia se eleva continuamente conforme la corriente decrece por los efectos de carga y absorción dieléctrica.El aislamiento deteriorado pasará cantidades relativamente grandes de corriente de fuga a una tasa constante para la tensión aplicada, que tenderá a ocultar los efectos de carga y absorciónGraficando las lecturas de resistencia a intervalos de tiempo desde el inicio de la prueba se obtiene una curva uniforme para “buen” aislamiento, pero una gráfica “plana” para equipo deteriorado. Durante la prueba tiempo-resistencia ese toman lecturas sucesivas a tiempos específicos. Su interpretación se basa en las magnitudes relativas de las corrientes de fuga y absorción, en aislamientos limpios y secos comparada con la de aislamientos húmedos o contaminados; la corriente de fuga es mucho más grande y los efectos de la corriente de absorción son por tanto menos aparentes.

Aislamiento probablemente bueno

Posible presencia de humedad/suciedad

MEDICION DE AISLAMIENTO. PRUEBA TIEMPO Vs. RESISTENCIA



Prueba índice de polarización (PI)

La implementación más simple de la prueba de tiempo-resistencia para un aislamiento sólido se representa por la prueba Índice de Polarización (PI), que requiere sólo de dos lecturas: una de diez minutos que se divide entre una hecha a un minuto para obtener una relación. El resultado es un número puro y se puede considerar independiente de la temperatura. Las referencias a valores PI típicos son comunes en la literatura, lo que hace que esta prueba sea fácilmente empleada. Sin embargo, se dice “en general” que existen materiales que exhiben muy poca o ninguna absorción dieléctrica. Llevando a cabo una prueba en esos materiales produciría entonces un resultado muy próximo a 1.Esta prueba es útil para equipos relativamente grandes. Valores por encima de 5 podrían indicar aislamiento agrietado y quebradizo. Este método debe ser usado con equipos que no posea aislante líquidos o combinación sólido-líquido.

Tiempo

Re

sis

ten

cia

MEDICION DE AISLAMIENTO. PRUEBA INDICE DE POLARIZACION



Prueba de tensión de paso

Puesto que el aislamiento bueno es esencialmente resistivo, un incremento en la tensión incrementará la corriente, permaneciendo la resistencia constante. Cualquier desviación de esto podría significar aislamiento defectuoso. Con tensiones de prueba más bajas, 500 V o 1000 V, es bastante posible que estos defectos no se observen, pero conforme se eleva la tensión se llega a un punto donde tiene lugar la ionización dentro de las grietas o las cavidades del aislante, lo que da por resultado un incremento de la corriente, y por tanto una reducción de la resistencia de aislamiento. Nótese que no es necesario llegar a la tensión de diseño del aislamiento para que estos defectos se hagan evidentes, puesto que se busca simplemente la ionización en el defecto. Los resultados arrojan lo siguiente:■ Si no hay diferencia apreciable en los valores - el aislamiento está en buenas condiciones.■ Si hay diferencia apreciable en los valores - el aislamiento requiere reacondicionamiento minucioso.■ Si el aislamiento falla a 2500 V – la prueba es cuestionable; lo más probable es que el equipo falle cuando se ponga en servicio.

MEDICION DE AISLAMIENTO. PRUEBA TENSION DE PASO

Aislamiento bueno

Aislamiento en condición

pobre

Tensión (kV)

R (

Mo

hm

s)



Prueba de Descarga Dieléctrica (DD)

Es un método de prueba relativamente nuevo que fue desarrollado por Electricité de France. Mientras que los otros métodos mencionados miden las corrientes que fluyen durante el proceso de carga, la prueba DD mide la corriente que fluye durante la descarga de la muestra bajo prueba. La corriente de descarga es ocasionada por los dipolos que hacen aleatoria su alineación dentro del aislamiento y la capa de electrones que regresa a una forma no distorsionada cuando se elimina el potencial de prueba. Permite la posibilidad de interpretar el grado de polarización del aislamiento y relacionarlo con la humedad y otros efectos de la polarización. Los resultados medidos se introducen en la fórmula siguiente y se calcula un índice.

Corriente que fluye después de 1 minuto (nA)Tensión de prueba (V) x Capacitancia (mF)

La medición es dependiente de la temperatura, por lo que es importante probar a una temperatura de referencia o registrar la temperatura para hacer correciones. Esta técnica se desarrolló para generadores HV pero tiene aplicaciones en cualquier aislamiento de capas múltiples.

MEDICION DE AISLAMIENTO. PRUEBA DESCARGA DIELECTRICA



Resumen de las distintas pruebas

La prueba de Descarga Dieléctrica se puede usar para identificar problemas en aislamientos de una sola capa o de capas múltiples. Otros métodos de prueba podrían no apuntar a problemas sobre este tipo de pruebas de aislamiento.

La prueba de Índice de Polarización es particularmente valiosa en la determinación de ingreso de humedad, aceite y contaminantes similares.

La humedad y los contaminantes disminuirán los valores de las lecturas en los métodos de lectura puntual (spot, tiempo Vs. resistencia ) pero se requiere un valor previo para comparación.

Las pruebas de tensión de paso revelan problemas tales como daños físicos localizados como agujeros o aislamientos secos y quebradizos en equipos envejecidos.

MEDICION DE AISLAMIENTO. RESUMEN DE PRUEBAS



Efectos de la temperatura

Las variaciones de temperatura pueden tener un efecto crítico en las lecturas de resistencia de aislamiento. La resistencia cae marcadamente con un incremento en la temperatura para un mismo aparato. Cada tipo de material aislante tiene un grado diferente de cambio de resistencia con la temperatura. Puede usarse una “regla-de-dedo” que especifica que por cada 10° C de incremento en temperatura, la resistencia se reduce a la mitad; o por cada 10° C de disminución de la temperatura, la resistencia se duplica. Esta regla permite corregir lecturas con la finalidad de compensar las variaciones.

AISLAMIENTO. EFECTO DE LA TEMPERATURA



Efectos de la humedad

La humedad (contenido de humedad) tiene un efecto en la resistencia de aislamiento, pero no se puede cuantificar tan fácilmente como el de la temperatura, debido a que los diferentes tipos de aislamiento absorberán humedad a distintos grados. Lo mejor que se puede decir es que la humedad es un factor que no se debe pasar por alto cuando se evalúan los resultados. A diferencia de la temperatura, el efecto de la humedad no es de gradiente constante y mientras la temperatura permanezca arriba del punto de rocío la humedad no afectará en forma apreciable las lecturas de aislamiento. Los efectos de la humedad requieren mayor atención conforme crecen las tensiones de prueba porque las tensiones altas pueden dar lugar a la ionización mucho más fácilmente que las bajas. Para lecturas confiables debe garantizarse que el equipo bajo prueba este libre de humedad (cercionarse del grado de proteción IP o hacer uso de un método de secado).

AISLAMIENTO. EFECTO DE LA HUMEDAD



AISLAMIENTO. TENSIONES DE PRUEBA CD COMUNMENTE UTILIZADAS

Prueba de Tensión DC Vs. Tensión AC nominal del equipo

Tensión nominal Tensión prueba CD

Hasta 100 V 100 - 250 V

440-550 V 500 – 100 V

2400 V 1000 – 2500 V o mayor

4160 V 1000 a 5000 V o mayor

Tensiones de prueba para máquinas rotatorias

Tensión AC prueba fábrica Vf = 2 Vn + 1000 V

Tensión DC prueba en campo 0,8 x Vf x 1,6

Tensión DC prueba después puesta en marcha

0,6 x Vf x 1,6



AISLAMIENTO. ESQUEMAS DE MEDICION PARA DISTINTOS EQUIPOS ELECTRICOS



AISLAMIENTO ELECTRICO. PRUEBAS DC y AC

Pruebas ACPruebas DC

- Corrientes de carga más bajas que las que produce la prueba AC.

- Corrientes de fuga son relativamente mayores que las que produce la prueba AC.

- Son pruebas básicamente no destructivas.

- Se puede tener una visión más cualitativa del estado del aislamiento.

- Conforme aumenta el tamaño del equipo las pruebas DC pueden ser más económicas.

- Equipos de prueba más ligeros, más pequeños que los equipos AC

Son pruebas destructivas (pasa / no pasa).

- Se usa en ocasiones en las que se hace necesario establecer el cumplimiento con normas prescritas.



ASI SE HACIAN ANTIGUAMENTE LAS MEDICIONES DE AISLAMIENTO

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