Fabricación de devanados de 13,8 kVpara máquinas eléctricas rotativas

Motores

Las máquinas eléctricas incluyen un sistema de aislamiento sólido, incrustado en elnúcleo laminado y mantenido en su posición por mecanismos de apoyo.

En términos generales, el aislamiento puede ser dividi-do en dos: i) el que provee aislamiento con las paredes del núcleo; y

ii) entre los conductores.Su selección y dimensionamiento dependerá de los nivelesde solicitación a que será sometido. en este sentido, el tér-mino solicitación se emplea en ingeniería para designaralgún tipo de acción externa que afecta a una parte ovarias del sistema, y necesita ser tomada en cuenta en eldiseño y ensayos. Se distinguen tres tipos de solicitacionespara el aislamiento en máquinas rotativas, que son: mecá-nica, térmica y eléctrica. en este artículo se reporta el casode la reconstrucción del devanado de un motor de 13,8 kVbasado en un proceso de impregnación tipo VPI Global.

Solicitación eléctricaCuando la máquina está en operación, el sistema de aislamien-to debe sustentar un cierto nivel de solicitación eléctrica, la

cual se puede separar en dos aspectos principales, que son: i) la solicitación de Campo eléctrico, relacionada con el efec-to sobre el volumen microscópico de los materiales aislan-tes, y se toma en cuenta en el diseño de la máquina; y

ii) de Tensión, relacionada con la tensión aplicada al aisla-miento, y que se toma en cuenta para la instalación y losensayos a realizar.

Ambas se combinan entre sí, esto es: para que un aislamien-to sustente con éxito la solicitación de tensión, es necesarioque los micro volúmenes que componen el sistema aportenadecuadamente en el trabajo dieléctrico (aislar).

Construcción de devanados de 13,8 kVen máquinas que operan sobre los 1000 V, el tipo de cons-trucción de las bobinas del devanado suelen ser de tipopreformadas, con alambre rectangular (pletina).

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Julio N. SepúlvedaGerente OperacionesFerroman S.A., Chile.

Por: Ing. Oscar Núñez Matawww.motortico.com

onunezm@hotmail.com

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A las bobinas se le da la forma previa a su instalación en laranura, y son conectadas en serie para crear el efecto mag-nético. Para el correcto diseño del sistema de aislamientose deberá considerar la distribución de esfuerzos eléctri-cos, térmicos y mecánicos. A nivel eléctrico, su diseño estal que se busca asegurar que en vueltas adyacentes deuna bobina se presente la tensión más baja posible. Paraesto se colocan distintos estratos de materiales aislantes.estos materiales se encargan de mantener separaciónentre vueltas para evitar cortos eléctricos, además de eva-cuar el calor generado por la circulación de corriente, ysoportar la vibración producida por las fuerzas presentes.

en máquinas por encima de 3 kV, el fenómeno deDescargas Parciales se puede presentar, provocando consi-derable aumento del envejecimiento, por lo tanto, se debe-rán extremar las medidas que minimicen la presencia devacuolas de aire en el devanado. Además, cuando se supe-ran los 6 kV (como máquinas de 13,8 kV), se deben extre-mar las medidas de protección colocando una cinta de pro-tección corona. Junto a esto se emplean materiales semi-conductores (cinta semiconductora), conductores (cintaconductiva), y cinta de soporte mecánico en la zona deranura, para mejorar su desempeño dieléctrico, mecánico ytérmico. La figura 1 muestra las diferentes capas de mate-riales aislantes utilizados típicamente en la fabricación dedevanados entre 6 kV – 15 kV, bajo el sistema impregnaciónVPI Global (por las siglas en inglés de Vacío-Impregnación-Presión), empezando con la pletina de cobre.

el proceso de consolidación de las bobinas del devanado esla etapa final de la fabricación/reparación de la máquinaeléctrica, y es clave desde distintos puntos de vista (térmi-co-eléctrico-mecánico). esto tiene que ver con el procesode impregnación y curado al horno de la resina. Hoy díaexisten varios métodos de impregnación, siendo uno de losmás utilizados el VPI Global, desarrollado por

Westinghouse, para mejorar el ingreso de la resina en loslugares más internos del estator. el proceso consiste encolocar el devanado presecado en una cámara de impreg-nación, en la cual se realiza vacío mediante una bomba.Luego de un tiempo realizando vacío, se permite el ingresodel agente de impregnación hasta la inmersión completadel estator, para luego aplicar aire comprimido o nitrógenoa alta presión por un tiempo determinado, con el objeto dehacer más efectiva la penetración de la resina. Finalmente,se extrae el devanado de la cámara de impregnación y selimpia de los residuos. Finalmente, se ingresa al horno parainiciar el proceso de curado a una temperatura y tiempoadecuado. La figura 2 presenta las 4 etapas del proceso VPI,incluyendo detalles de cada una.

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Figura 1. Detalle de las capas aislantes utilizados en las bobinas. Arriba: vista lateral. Abajo: vista en corte (fuente: IPS)

Figura 2. Etapas del proceso de impregnación por VPI Global(fuente: Yang Ming)

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en niveles de 13.8 kV, la selección del espesor del aisla-miento en la ranura requiere un especial cuidado, por losaltos niveles de tensión a tierra, lo que potencialmentepuede activar Descargas Parciales dentro de la ranura, o enla superficie de las bobinas. estas consideraciones fuerontomadas en cuenta en la reconstrucción del motor que sedetalla a continuación.

Estudio de casoSe presenta a continuación el proceso llevado a cabo enFerroman S.A. (empresa chilena, referente en el servicio demantenimiento predictivo, preventivo y correctivo demáquinas eléctricas rotativas), quienes han desarrollado latécnica de construcción de devanados de alta tensión paramáquinas rotativas, con niveles entre 13,2-13,8 kV, basadoen impregnación por VPI Global. este proceso ha implicadola construcción de maquinaria, obtención de instrumenta-ción, selección de materiales, desarrollo de procedimientospara fabricación y ensayos para el control de calidad. elobjetivo planteado fue lograr la fabricación de bobinas pre-formadas, con mejores tiempos de entrega que las obteni-das en empresas extranjeras, alcanzando iguales o superio-res desempeños. Lo anterior, cumpliendo los estándarestécnicos y normados a nivel internacional.

el motor reparado correspondió a una potencia de 4500kW, 2 Polos, 13,8 kV, con enfriamiento por intercambiadoraire – agua. Dicho motor mueve un compresor de oxígeno.Las figuras. 3, 4 y 5 muestran parte del proceso realizado.

Junto con el desarrollo de los procedimientos de fabrica-ción de las bobinas y montaje, es necesario considerar elcontrol de calidad por medio de pruebas dieléctricas,siguiendo alguna normativa reconocida. Por ejemplo,por los niveles de tensión, se deberá revisar la actividadde Descargas Parciales y la medición del Factor deDisipación, como parte de los ensayos. La figura 6 mues-tra el momento de realización de la prueba de impulsoeléctrico por bobina.

Figura 3. Proceso de rebobinado en motor de 13,8kV.

Figura 4. Zona del devanado mostrando el conexionado y cables de salida.

Figura 5. Inicio del proceso de impregnación por VPI.

Figura 6. Vista del devanado completo durante ensayos dieléctricos.

La fabricación local de devanados de 13,8 kV debe

ser considerado como un importante paso tecno-

lógico para cualquier país de Latinoamérica, ya

que normalmente las bobinas se adquieren en el

extranjero (por ejemplo: ee.UU. o Inglaterra) para

ser instaladas en centros de servicio locales. Lo

que implica tiempos de entrega prolongados, con

un soporte técnico desde otro país.

Conclusión