La prueba del índice de polarización en motores eléctricos ya ha sido superada por métodos modernos

En lo que respecta a las pruebas de motores eléctricos, el índice de polarización (PI ) es una medida de cuánto mejora (o se degrada) la resistencia del sistema de aislamiento con el paso del tiempo.

Aunque la prueba PI se ha considerado la prueba principal para evaluar el estado del aislamiento de un motor, su proceso se ha quedado obsoleto en comparación con métodos de prueba más recientes que proporcionan una evaluación diagnóstica más completa del estado general de un motor.

Este artículo proporciona una comprensión práctica del sistema de aislamiento de un motor, un conocimiento básico de las pruebas de índice de polarización y cómo los métodos modernos de pruebas de motores proporcionan resultados más completos en menos tiempo.

Índice de polarización (PI)

La prueba del índice de polarización (PI) es un método estándar de prueba de motores eléctricos desarrollado en el siglo XIX que intenta determinar el estado del aislamiento del bobinado de un motor.

Mientras que la prueba PI proporciona información sobre los sistemas de aislamiento de la pared de tierra (GWI) instalados normalmente antes de la década de 1970, no proporciona un estado preciso del aislamiento del bobinado en los motores modernos.

Las pruebas PI consisten en aplicar una tensión continua (normalmente de 500 V a 1.000 V) al bobinado del motor para medir la eficacia del sistema GWI para almacenar una carga eléctrica.

Dado que el sistema GWI forma una capacitancia natural entre los devanados del motor y el bastidor del motor, la tensión continua aplicada se almacenará como una carga eléctrica igual que cualquier condensador.

A medida que el condensador se carga por completo, la corriente disminuirá hasta que sólo quede la corriente de fuga final, que determina la cantidad de resistencia que el aislamiento ofrece a tierra.

En los sistemas de aislamiento nuevos y limpios, la corriente de polarización disminuye logarítmicamente con el tiempo a medida que se almacenan los electrones. El índice de polarización (PI) es la relación del valor de la resistencia de aislamiento a tierra (IRG) tomada a intervalos de 1 y 10 minutos.

PI = 10 minutos IRG/1 minuto IRG

En los sistemas de aislamiento instalados antes de la década de 1970, la prueba PI se realiza mientras se polariza el material dieléctrico.

Si el aislamiento de la pared de tierra (GWI) comienza a degradarse, experimenta un cambio químico que hace que el material dieléctrico se vuelva más resistivo y menos capacitivo, disminuyendo la constante dieléctrica y reduciendo la capacidad del sistema de aislamiento para almacenar una carga eléctrica. Esto hace que la corriente de polarización se vuelva más lineal a medida que se acerca al rango en el que predomina la corriente de fuga.

Sin embargo, en los nuevos sistemas de aislamiento posteriores a la década de 1970, por diversas razones la polarización completa del material dieléctrico se produce en menos de un minuto, y las lecturas de IRG son superiores a 5.000 Meg-ohmios. El PI calculado puede no ser significativo como indicación del estado de la indicación de la pared del suelo.

Además, dado que esta prueba crea el campo electrostático entre los devanados y el bastidor del motor, proporciona muy poca o ninguna indicación del estado del sistema de aislamiento de los devanados. La mejor indicación de este tipo de fallos mediante el uso de mediciones MCA del ángulo de fase y la respuesta en frecuencia de la corriente.

Materiales aislantes

En los motores eléctricos, el aislamiento es el material que resiste el flujo libre de electrones, dirigiendo la corriente por un camino deseado e impidiendo que escape por otro.

En teoría, el aislamiento debería bloquear todo el flujo de corriente, pero incluso el mejor material aislante deja pasar una pequeña cantidad de corriente. Este exceso de corriente se denomina comúnmente corriente de fuga.

Aunque en general se acepta que los motores tienen una vida útil de 20 años, el fallo del sistema de aislamiento es la principal razón por la que los motores eléctricos fallan prematuramente.

El sistema aislante comienza a degradarse cuando el aislamiento se vuelve más conductor debido a un cambio en su composición química. La composición química del aislamiento cambia con el tiempo debido al uso gradual y/o a otros daños. La corriente de fuga es resistiva y genera calor, lo que provoca una degradación adicional y más rápida del aislamiento.

Nota: La mayoría de los alambres esmaltados están diseñados para garantizar una vida útil de 20.000 horas a temperaturas nominales (105 a 240° C).

Sistemas de aislamiento

Los motores y otros equipos eléctricos con bobinas tienen 2 sistemas de aislamiento separados e independientes.

1. Los sistemas de aislamiento de la pared de tierra separan la bobina del bastidor del motor, impidiendo que la tensión suministrada a los devanados se escape al núcleo del estator o a cualquier parte del bastidor del motor. La rotura del sistema de aislamiento de la pared de tierra se denomina fallo de tierra y crea un peligro para la seguridad.
2. Los sistemas de aislamiento del bobinado son capas de esmalte que rodean el hilo conductor que suministra corriente a toda la bobina para crear el campo magnético del estator. La rotura del sistema de aislamiento del devanado se denomina cortocircuito del devanado y debilita el campo magnético de la bobina.

Figura 1: 2 sistemas de aislamiento independientes

Resistencia de aislamiento a tierra (IRG)

La prueba eléctrica más común que se realiza en los motores es la prueba de resistencia del aislamiento a tierra (IRG) o “prueba puntual”.

Aplicando tensión continua al bobinado del motor, esta prueba determina el punto de resistencia mínima que presenta el aislamiento de la pared de tierra con respecto al bastidor del motor.

Capacitancia

La capacitancia (C), medida en faradios, se define como la capacidad de un sistema para almacenar una carga eléctrica. La capacitancia de un motor se determina mediante la ecuación: 1 Faradio = la cantidad de carga almacenada en culombios (Q) dividida por la tensión de alimentación.

Ejemplo: Si el voltaje aplicado es una batería de 12V y el condensador almacena 0,04 coulombs de carga tendría una capacitancia de 0,0033 Faradios o 3,33 mF. Un culombio de carga equivale aproximadamente a 6,24 x¹⁰¹⁸ electrones o protones. Un condensador de 3,33 mF almacenaría aproximadamente 2,08 X¹⁰¹⁶ electrones cuando está completamente cargado.

La capacitancia se crea colocando un material dieléctrico entre placas conductoras. En los motores, los sistemas de aislamiento de la pared de tierra forman una capacitancia natural entre los devanados y el bastidor del motor. Los conductores del bobinado forman una placa y el bastidor del motor forma la otra, haciendo que el aislamiento de la pared de tierra sea el material dieléctrico.

La cantidad de capacitancia depende de:

1. La superficie medida de las placas – La capacitancia es directamente proporcional a la superficie de las placas.
2. La distancia entre las placas – La capacitancia es inversamente proporcional a la distancia entre las placas.
3. La constante dieléctrica – La capacitancia es directamente proporcional a la constante dieléctrica.

Capacitancia a tierra (CTG)

La dirección
capacitancia a tierra
(CTG) indica la limpieza de los bobinados y cables de un motor.

Debido a que el aislamiento de la pared de tierra (GWI) y los sistemas de aislamiento del bobinado forman una capacitancia natural a tierra, cada motor tendrá un CTG único cuando el motor sea nuevo y esté limpio.

Si los devanados del motor o el GWI se contaminan, o el motor tiene entrada de humedad, el CTG aumentará. Sin embargo, si el GWI o el aislamiento del devanado sufren una degradación térmica, el aislamiento se volverá más resistente y menos capacitivo, lo que provocará una disminución del CTG.

Material dieléctrico

Un material dieléctrico es un mal conductor de la electricidad pero soporta un campo electrostático. En un campo electrostático, los electrones no penetran en el material dieléctrico y las moléculas positivas y negativas se emparejan para formar dipolos (pares de moléculas con carga opuesta separadas por la distancia) y se polarizan (el lado positivo del dipolo se alineará hacia el potencial negativo y la carga negativa se alineará hacia el potencial negativo).

Constante dieléctrica (K)

La constante dieléctrica (K) es una medida de la capacidad de un material dieléctrico para almacenar una carga eléctrica mediante la formación de dipolos, en relación con el vacío, que tiene una K de 1.

La constante dieléctrica de un material aislante depende de la composición química de las moléculas combinadas para formar el material.

El K de un material dieléctrico se ve afectado por la densidad del material, la temperatura, el contenido de humedad y la frecuencia del campo electrostático.

Pérdida dieléctrica

Una propiedad importante de los materiales dieléctricos es la capacidad de soportar un campo electrostático, disipando al mismo tiempo un mínimo de energía en forma de calor, lo que se conoce como pérdida dieléctrica.

Rotura dieléctrica

Cuando el voltaje a través de un material dieléctrico es demasiado alto y el campo electrostático es demasiado intenso, el material dieléctrico conduce la electricidad y se denomina ruptura dieléctrica. En los materiales dieléctricos sólidos, esta ruptura puede ser permanente.

Cuando se produce la ruptura dieléctrica, el material dieléctrico experimenta un cambio en su composición química y da lugar a un cambio en la constante dieléctrica.

Corrientes empleadas para cargar un condensador

Hace varias décadas, se introdujo la prueba del índice de polarización (PI) para evaluar la capacidad del sistema de aislamiento para almacenar una carga eléctrica. Dado que en la carga de un condensador intervienen esencialmente tres corrientes diferentes, como se ha descrito anteriormente.

1. Corriente de carga – La corriente acumulada en las placas y depende del área de las placas y de la distancia entre ellas. La corriente de carga suele terminar en < más de 1 minuto. La cantidad de carga será la misma independientemente del estado del material aislante.
2. Corriente de polarización – La corriente necesaria para polarizar el material dieléctrico, o alinear los dipolos creados al colocar el material dieléctrico en un campo electrostático. Normalmente, con los sistemas de aislamiento instalados en los motores (anteriores a la década de 1970) cuando se desarrolló la prueba del índice de polarización, el valor nominal de un sistema de aislamiento nuevo y limpio estaría en el rango de los 100 megaohmios (¹⁰⁶) y normalmente se necesitarían más de 30 minutos y, en algunos casos, muchas horas para completarla. Sin embargo, con un sistema de aislamiento más reciente (posterior a la década de 1970), el valor nominal de un sistema de aislamiento nuevo y limpio estará entre el giga-ohmio y el tera-ohmio (¹⁰⁹,¹⁰¹²) y, por lo general, se polariza por completo antes de que finalice por completo la corriente de carga.
3. Corriente de fuga – La corriente que fluye a través del material aislante y disipa el calor.

Corriente de carga

Un condensador sin carga tiene placas que comparten el mismo número de cargas positivas y negativas.

La aplicación de una fuente de CC a las placas de un condensador sin carga hará que los electrones fluyan desde el lado negativo de la batería y se acumulen en la placa conectada al polo negativo de la batería.

Esto creará un exceso de electrones en esta placa.

Los electrones fluirán desde la placa conectada al polo positivo de la pila y entrarán en la pila para sustituir a los electrones acumulados en la placa negativa. La corriente continuará fluyendo hasta que la tensión en la placa positiva sea la misma que la del lado positivo de la pila y la tensión en la placa negativa alcance el potencial del lado negativo de la pila.

El número de electrones desplazados de la pila a las placas depende del área de las placas y de la distancia entre ellas.

Esta corriente se denomina corriente de carga, que no consume energía y se almacena en el condensador. Estos electrones almacenados crean un campo electrostático entre las placas.

Corriente polarizadora

La colocación de un material dieléctrico entre las placas de un condensador aumenta la capacitancia de un condensador en relación con la separación entre las placas en el vacío.

Cuando un material dieléctrico se coloca en un campo electrostático, los dipolos recién formados se polarizarán, y el extremo negativo del dipolo se alineará con la placa positiva y el extremo positivo del dipolo se alineará hacia la placa negativa. Esto se denomina polarización.

Cuanto mayor sea la constante dieléctrica de un material dieléctrico, mayor será el número de electrones necesarios, aumentando así la capacitancia del circuito.

Corriente de fuga

La pequeña cantidad de corriente que fluye a través del material dieléctrico manteniendo sus propiedades aislantes se denomina resistencia efectiva. Es diferente de la rigidez dieléctrica, que se define como la tensión máxima que puede soportar un material sin fallar.

A medida que un material aislante se degrada, se vuelve más resistivo y menos capacitivo, aumentando la corriente de fuga y disminuyendo la constante dieléctrica. La corriente de fuga produce calor y se considera una pérdida dieléctrica.

Factor de disipación

Es una técnica de prueba alternativa que utiliza una señal de CA para ejercitar el sistema de aislamiento de la pared de tierra (GWI). Como se ha explicado anteriormente utilizando una señal DC para probar el GWI se encuentran 3 corrientes diferentes, sin embargo, el instrumento es incapaz de diferenciar las corrientes aparte del tiempo. Sin embargo, aplicando una señal de CA para probar la GWI es posible separar las corrientes que se almacenan (corriente de carga, corriente de polarización) de la corriente resistiva (corriente de fuga).

Dado que tanto la corriente de carga como la de polarización son corrientes almacenadas y se devuelven al ciclo de ½ opuesto, la corriente adelanta a la tensión en 90°, mientras que la corriente de fuga, que es una corriente resistiva que disipa calor y la corriente está en fase con la tensión aplicada. El factor de disipación (DF) es simplemente la relación entre la corriente capacitiva (_IC) y la corriente resistiva (_IR).

DF =_IC /_IR

En un aislamiento nuevo y limpio, la_IR suele ser < 5% de la_IC; si el material aislante se contamina o se degrada térmicamente, la_IC disminuye o la_IR aumenta. En cualquier caso, la DF aumentará.

Resumen

Durante el siglo XIX, la prueba del índice de polarización era un método eficaz para determinar el estado general de un motor. Sin embargo, ha perdido eficacia con los sistemas de aislamiento modernos.

Mientras que la prueba PI requiere mucho tiempo (más de 15 minutos) y no puede determinar si el fallo está en el aislamiento del devanado o de la pared de tierra, las tecnologías modernas, tales como Análisis de circuitos de motores (^MCATM)Las pruebas de detección de fallos de los devanados se realizan en menos de 3 minutos, lo que permite identificar problemas de conexión, fallos entre espiras, entre bobinas y entre fases en fases muy tempranas.

Otras tecnologías, como DF, CTG e IRG, proporcionan un estado del sistema de aislamiento de la pared de tierra en pruebas realizadas también en un tiempo mínimo.

Mediante la combinación de nuevas tecnologías, como ^MCATM, DF, CTG e IRG, los modernos métodos de ensayo de motores eléctricos proporcionan una evaluación mucho más completa y exhaustiva de todo el sistema de aislamiento de un motor de forma más rápida y sencilla que nunca.