Fallas de aislamiento en generadores y su diagnstico.Resumen El campo de un generador que ha estado en servicio durante largos periodos de tiempo o que ha tenido incidentes en operacin, puede desarrollar fallas de aislamiento. Cuando esto sucede, el aislamiento entre los conductores y / o entre los conductores y tierra se encuentran daados localmente y, como resultado, la integridad del campo del generador se ve comprometida. Esta falla en el aislamiento podra resultar en cortocircuitos en la bobina y / o fallas a tierra entre el conductor y la forja de campo (anillo colector (field forgings)), el anillo de retencin u otro componente a potencial de tierra. Es importante entender la diferencia entre un cortocircuito y una falla a tierra y su efecto sobre el funcionamiento del campo. Debido a la posibilidad de provocar graves consecuencias para el generador, si opera en condiciones de falla. Es importante poder diagnosticar con precisin el tipo de falla y su ubicacin. Este artculo discutir la naturaleza de las fallas de aislamiento del campo del generador y las pruebas de diagnstico disponibles para obtener una descripcin exacta de la falla de tal manera, que se pueda hacer una recomendacin adecuada respecto a las reparaciones necesarias y su posterior operacin.Descripcin del campo del generadorEl campo del generador, es el componente rotatorio del generador. Es un gran electroimn compuesto de un acero moldeado con maquinaria de precisin y un devanado de cobre aislado. El devanado est aislado de tierra por el aislamiento de la ranura de armadura y el anillo retenedor y las vueltas individuales estn aislados entre s por un aislamiento. El aislamiento tambin se utiliza para aislar el conductor principal y terminales, el calibre del conductor (bore copper) y terminales del colector y anillos de la forja. Para que el generador funcione correctamente, este aislamiento debe permanecer intacto. Si la integridad del aislamiento se ve comprometida por daos mecnicos, exceso de calor, carbonizacin o alguna otra causa, los cortos y / o fallas a tierra afectarn el futuro funcionamiento del generador.Definicin de cortocircuito y falla a tierraUn cortocircuito o una falla a tierra se producen cuando el aislamiento en el campo est daado. El cortocircuito resulta cuando el aislamiento entre las espiras de cobre se daa permitiendo que las espiras adyacentes hagan contacto entre s. Aunque esto no es deseable, el campo del generador tiene y tendr que operar con un nmero limitado de espiras en cortocircuito sin un efecto significativo en el funcionamiento del generador. Los cortocircuitos pueden ocurrir en cualquier parte del devanado del generador, sin embargo, son ms comunes en el rea de las terminales del devanado bajo los anillos de retencin. Las fallas a tierra se producen debido a una falla en el aislamiento (groundwall insulation). Esto podra ser en la parte de la ranura de campo, bajo el anillo de retencin, en el conductor principal y sus terminales, terminales del colector, o en la regin del calibre del conductor (bore copper). Sin embargo, a diferencia de tener un cortocircuito, se recomienda que el campo no se opere con falla a tierra. Como la fuente de excitacin no est aterrizada, una sola falla a tierra no causar corrientes circulantes en la forja de campo. Si se produce una segunda falla a tierra, circular corriente en la forja y en un perodo de tiempo muy corto de fusin puede ocasionar graves daos a la forja. La Figura 1 muestra un ejemplo de un cortocircuito y una falla a tierra en la seccin de ranura del campo del generador. Cabe sealar que el cortocircuito slo afecta el aislamiento entre las espiras de los devanados de cobre y el aislamiento de la pared de tierra (ground Wall insulation) no se ve afectado. La Figura 2 es un ejemplo de una falla a tierra en el rea de las terminales del devanado entre la parte superior de la espira del devanado y el anillo de retencin.

Factores que afectan la integridad del aislamientoA continuacin, se mencionan algunos ejemplos de factores que pueden llevar al deterioro del aislamiento de campo:Tiempo Lapso de tiempo que el generador ha estado en servicio, mientras el lapso incremente, mayor ser la probabilidad de que la solidez del aislamiento sea comprometida por esfuerzos mecnicos o reciba daos relacionados con la temperatura.Tipo de Operacin - El campo del generador est sujeto a muchos ciclos de arranque-paro y / o (ciclos VAR) VAR cycling, por lo tanto, es ms propenso a una degradacin del sistema de aislamiento de campo que es baseloaded.Contaminacin - si se ha introducido contaminacin en la mquina, o si se ha producido alguna quemazn (carbonizacin) en el generador que podra haber producido el material conductor y podra distribuirse en el interior del generador, la integridad del aislamiento podra peligrar.Incidentes de operacin - Cualquier incidente de funcionamiento que inducen calentamiento, quemazn (carbonizacin), arcos elctricos, altos esfuerzos, etc. podra ser perjudicial para el aislamiento. Esto incluye motoring (motorizacin), un suceso de secuencia negativa (cerrando el interruptor del generador parado o girando el engranaje o el funcionamiento monofsico), ardor (carbonizacin) en el generador o un incidente de exceso de velocidad.Efecto de un cortocircuito y una falla a tierra.Como se mencion anteriormente, en muchos casos, el generador puede operar satisfactoriamente con espiras en cortocircuito en el campo mientras que no se recomienda que un campo opere con una falla a tierra. Mientras que los cortocircuitos son indeseables, no presentan ningn riesgo significativo para la mquina. La principal consecuencia de operar con cortocircuitos es que la mquina no es capaz de alcanzar su valor nominal de placa o el desarrollo de sensacin trmica (developing a thermally sensitive generator field) en el campo del generador. En el peor de los casos, esto requerira un rebobinado completo de campo en el que sera sustituido todo el aislamiento del devanado. Una sola falla a tierra en el campo no inducir flujo de corriente en la forja de campo (field forging). Sin embargo, en caso de producirse una segunda falla a tierra, la corriente inmediatamente comenzar a fluir entre los dos puntos de tierra y en cuestin de segundos, puede generar suficiente calor tal que la forja de campo, cuas o el anillo de retencin podran derretirse. Esto podra causar un dao irreparable a los componentes afectados y en el peor de los casos, resultando una separacin del campo (coming apart).Debido a los potenciales problemas que podran resultar de cortocircuitos o fallas a tierra, es muy importante ser capaz de diagnosticar ests fallas de aislamiento cuando se producen. Es an ms atractivo ser capaz de llevar a cabo este trabajo de diagnstico sin remover el campo del estator. A continuacin se describen las tcnicas de diagnstico que estn disponibles para la localizacin de los problemas de aislamiento del generador.Diagnstico de cortocircuitos en el aislamiento del campo del generador.Espiras en cortocircuito pueden ser reconocidos durante el funcionamiento por uno de dos cambios importantes en las caractersticas de la unidad. Las espiras en cortocircuito pueden provocar "puntos calientes", el campo ser ms sensible al calor (the field will be more thermally sensitive), o, las espiras en cortocircuito disminuyen la resistencia de la bobina, se experimentar un incremento de corriente para mantener la carga constante, lo que podra afectar la potencia (rating). Durante las pruebas de mantenimiento, los cambios en las mediciones de resistencia e impedancia de campo comparados con valores anteriores de la unidad pueden indicar espiras en cortocircuito. Las espiras en cortocircuito tambin son frecuentemente encontrados durante el rebobinado de campo debido a las dificultades encontradas en el manejo de bobinas a ser reutilizadas.Las siguientes pruebas de diagnstico ayudarn en la localizacin de las espiras en cortocircuito.Prueba de resistencia La prueba de resistencia del devanado de cobre es una prueba muy til realizada en todos los campos nuevos posterior al embarque. Esta prueba debe repetirse en cada mantenimiento y debe compararse con los resultados de pruebas anteriores. La disminucin de la resistencia de campo sera una indicacin de espiras en cortocircuito, mientras que un aumento indicara una unin de alta resistencia. La resistencia medida debe ser corregida a una temperatura base, por lo general de 25 C, para la comparacin.Las espiras en cortocircuito se producen con frecuencia en la operacin de campos y por lo general no limitan el funcionamiento. En aquellos casos, en que las espiras en cortocircuito causan inaceptablemente alta vibracin sensible termal (high thermal sensitive vibration) o el lmite de carga reactiva (quedarse sin excitacin), las espiras en cortocircuito deben ser reparadas. La localizacin ms frecuente de espiras en cortocircuito est en la zona final del devanado de campo, y para esto, puede que slo sea necesario retirar los anillos de retencin para efectuar la reparacin. Sin embargo, si las espiras en cortocircuito estn en la seccin del cuerpo del campo, puede ser necesario rebobinar las bobinas afectadas.Una junta (unin) de alta resistencia es un asunto mucho ms serio. Un aumento o una lectura errnea del valor de resistencia de campo indicaran una junta (unin) de alta resistencia. Esto finalmente, podra dar lugar a una interrupcin forzada del generador con daos mayores, y por lo tanto, es necesaria una accin correctiva inmediata. Ha habido casos en los que las lecturas errneas de resistencia de campo realizadas durante el mantenimiento condujeron a una investigacin que revel que los conductores que fueron completamente daados como consecuencia de la propagacin de grietas por fatiga. En operacin, la carga centrfuga mantendr las dos mitades en contacto para que continen conduciendo corriente. Estas son las principales fallas a ocurrir.Prueba de impedanciaUna prueba de impedancia del devanado de campo es tambin un chequeo de espiras en cortocircuito. Es ms sensible que la prueba de resistencia del devanado de campo, pero no dar una idea clara del nmero de espiras en cortocircuito. Esta prueba se ha utilizado frecuentemente en el pasado para comprobar las espiras en cortocircuito debidas a la velocidad. Se trata del monitoreo de la impedancia del devanado de campo llevando al generador a su velocidad nominal. Un incremento de paso en el valor medido de corriente en el devanado de campo, con un voltaje constante de CA 60 Hz aplicado al campo, como la unidad est siendo llevada a velocidad, indica el establecimiento de una o ms vueltas en cortocircuito. Un ejemplo de este tipo de prueba se muestra en la Figura 3. Esta prueba no es tan importante hoy en da, ya que hay otras pruebas ms precisas para espiras en cortocircuito.

Prueba de cada de tensinCon los anillos de retencin removidos, la prueba de cada de tensin de espira-espira se puede utilizar para encontrar espiras en cortocircuito. De quince a veinticinco volts D.C. son aplicados a travs de los anillos colectores. Las sondas con una curva de 90 grados en la punta, mangos aislados y puntas afiladas son presionadas contra la espira de la bobina. Se realiza la medicin de la cada de tensin de la espira uno a la espira dos, luego de la espira dos a la espira tres, y as sucesivamente. Estas cadas deben sumar el valor de la cada de tensin en los anillos colectores. Espiras largas, bobinas con mayor nmero de espiras, tendrn una mayor resistencia y mayor cada de tensin, que, bobinas con menos nmeros de espiras. Si la cada entre dos espiras de una bobina es menor que la cada entre otras dos vueltas en la misma bobina, existe un cortocircuito. Se recomienda utilizar D.C. para esta prueba, voltaje de CA se puede utilizar para realizar la prueba de cada de tensin, sin embargo, su precisin es limitada para determinar si existe un cortocircuito en una bobina, y no puede considerarse fiable para las espiras que estn en cortocircuito. Esto se puede hacer mediante la comparacin de la cada de tensin en una bobina a la cada de tensin de la misma bobina en otro polo. Las desventajas de la prueba de cada de tensin es que se deben remover los anillos de retencin para su realizacin y no detectar espiras en cortocircuito debidas a la velocidad.

Sonda de flujo.Con el campo en su lugar, y a velocidad nominal, se puede utilizar una sonda de flujo para determinar la ranura en la que estn presentes las espiras en cortocircuito. Cualquier otro mtodo de investigacin de espiras en cortocircuito se realiza a rotor parado y no ofrecer garanta de que los cortocircuitos no se presentan a gran velocidad.La prueba de sonda de flujo es la mejor prueba de mantenimiento para el monitoreo de espiras en cortocircuito en los devanados de campo. Esta prueba fue desarrollada por la compaa del autor hace ms de 20 aos, y se ha perfeccionado para permitir que la prueba se realice mientras la unidad est en operacin, as como, con el estator en cortocircuito. Las ventajas evidentes de esta prueba es que se puede realizar con un mnimo impacto en el funcionamiento de la unidad, y mostrar cortos que aparecen en alguna velocidad intermedia. En general, la prueba de la sonda de flujo detectar cortocircuitos en una bobina con alrededor del 5% o ms de cortocircuitos. Si una bobina tena 30 vueltas, una vuelta en cortocircuito no puede ser detectada con fiabilidad.Originalmente, la sonda de prueba de flujo fue realizada usando una sonda temporal que se inserta a travs de un saliente en el lado de la carcasa del estator cuando la prueba iba a ser realizada. Recientemente la compaa del autor ha diseado un conjunto de sondas permanentemente montadas, que est disponible para la modificacin en los generadores. Esquemas de ambas de estas instalaciones se muestran en la Figura 4.

Figura 4.Cada vez es ms comn ver a los usuarios realizar la prueba de la sonda de flujo como una prueba de mantenimiento de rutina. Esto est bien, pero hay que recordar que un par de espiras en cortocircuito en el campo no indican automticamente la exigencia de un rebobinado inmediato o algunas otras medidas correctoras. Usted debe consultar con el fabricante para su evaluacin. MUCHOS CAMPOS FUNCIONAN CON ESPIRAS EN CORTOCIRCUITO SIN DIFICULTAD. Un ejemplo de la forma de onda para una prueba con cortocircuito del estator se muestra en la Figura 5 y uno para una prueba a carga se muestra en la Figura 6.FIGURA 5FIGURA 6Diagnstico de fallas a tierra en el campo del generador Las fallas a tierra suponen un grave riesgo para la integridad de campo. Es cierto que una sola falla a tierra en el campo no proporciona una trayectoria de flujo de corriente de falla. Sin embargo, la principal causa de la primera falla a tierra es probable que afecte el equilibrio del sistema de aislamiento y es ms probable que ocurra una segunda falla a tierra. Si se produce la segunda falla a tierra, es probable que sea la corriente de campo la que fluya a travs de la falla. Esta energa es suficiente para fundir la forja de campo en los lugares de falla. En el peor de los casos, esto causara la falla catastrfica del campo que a su vez podra resultar en daos importantes en el estator y turbina. Puesto que no hay mtodo para detectar de forma fiable la aparicin de la segunda falla a tierra y la prevencin de los principales daos que resulta, es recomendacin de la compaa del autor de que los operadores disparen la unidad inmediatamente despus de la primera alarma de falla a tierra de campo. Cuando se detecta una falla a tierra de campo, la causa debe ser determinada y reparada antes de volver a poner en servicio el generador. El primer desafo es ubicar la falla a tierra en el devanado. Si se trata de una falla a tierra "slida", es decir, la resistencia a tierra es menor de 100,000 ohms, es bastante fcil de hacer. Sin embargo, si la falla a tierra es intermitente o la resistencia a tierra es "alta", es decir 5 megaohms, entonces se vuelve mucho ms difcil. La recomendacin para encontrar la falla a tierra es aplicar HiPot al campo con cerca de seis veces la tensin de campo nominal (6Vf), 60 Hz de CA. Esto se considera una aptitud (suitability) para hipot servicio para el campo (This is considered a suitability for service hipot for the field.). Se pretende que el hipot establezca cualquier trayectoria a tierra de modo que pueda ser localizado y reparado, o la carbonizacin de trayectorias conductoras (, or burn out the conducting path without damaging the insulation) sin daar el aislamiento. Las pruebas HiPot de un devanado de campo seco sin dao en aislamiento que est en buenas condiciones. Tambin, como con espiras en cortocircuito, las fallas a tierra presentes durante velocidad pueden no ser detectables en reposo.Las siguientes pruebas de diagnstico son tiles en la bsqueda y localizacin de fallas a tierra de campo:Prueba de divisin de Tensin (Split Voltage Test)La prueba de divisin de tensin se utiliza para determinar la ubicacin de falla a tierra. Se puede realizar de forma fiable siempre y cuando la resistencia de la falla sea menor al 5% del balance del sistema de aislamiento de campo. Se debe tener cuidado de usar voltmetros con una alta impedancia de entrada en comparacin con la falla a tierra. Los resultados de la prueba de divisin de tensin es la ubicacin de la falla a tierra como un porcentaje a travs del devanado. Mientras que la bobina # 1 es ms corta que la # 2, y la # 2 es ms corta que la # 3, y as sucesivamente, como una primera aproximacin, se asume que todas las bobinas son de igual longitud. Es probable que se encuentre la falla a tierra en la parte superior de la bobina o en el rea del conductor principal, donde se producen la mayora de las fallas a tierra. La eliminacin de la falla a tierra puede requerir el rebobinado de la bobina.Esta prueba localizara el porcentaje a travs del devanado donde exista la falla a tierra. Al igual que con la corriente a travs de la prueba de forja, esta prueba debe ser realizada antes de remover los anillos de retencin. Una fuente de D.C. de 40-150 volts sin conexin a tierra conectada a travs de los anillos colectores. Mida el voltaje a travs de los anillos colectores, y de cada anillo a tierra. La suma de la tensin en cada anillo a tierra debe ser igual a la cada de tensin en los dos anillos. Si no lo son, es probable que la resistencia a tierra sea demasiada alta, o hay varis puntos a tierra, como las causadas por la suciedad o la humedad. La relacin de la divisin en los voltajes es el porcentaje del devanado que se encuentra a tierra. Menos del 2% indicara una falla en el colector o en las reas del calibre de cobre (bore copper area). Una vez que se remueven los anillos de retencin, vuelva a conectar la fuente de tensin a los anillos colectores. Mida la cada de tensin de la parte superior de cada bobina a tierra. La bobina con la menor cada a tierra sera la bobina con la falla a tierra. La medicin de la cada de cada espira en esa bobina a tierra localizara la espira a tierra. Un voltmetro de alta impedancia requerir menos corriente para producir resultados fiables. Un esquema que muestra la configuracin de prueba para la prueba de divisin de tensin se muestra en la Figura 7.

Prueba de Corriente a travs de la Forja(This test will locate the ground axially) Esta prueba se localizar en el eje de tierra. Se debe realizar con los anillos de retencin colocados para determinar si la trayectoria a tierra es a travs de los anillos. Corriente continua D.C., usualmente en exceso de 500 amperes, se pasa a travs de la forja. Un magnaflux o una mquina de soldar de D.C. generarn suficiente corriente para realizar la prueba. Los cables son conectados a cada extremo de la forja. Un cable de un miliampermetro est conectado a un anillo colector y el otro se utiliza para sondear el campo axialmente. A medida que la sonda se mueve axialmente a lo largo de la forja, la corriente se reducir, y llegar a cero. La falla a tierra se encuentra axialmente en el punto donde la tensin llega a cero. Si slo puede obtenerse bajas corrientes a travs de la forja, slo ser ledo el signo de la corriente en lugar de amperes. En este caso, la falla a tierra ser ubicada en el lugar donde el signo cambia. En otras palabras, la falla a tierra se encontrar donde las lecturas cambien de -0 a +0 amperes. Si existe ms de una falla, como las causadas por la humedad o la suciedad, esta prueba va a producir resultados inconsistentes. Si un ampermetro digital de CC no est disponible, se debe utilizar un medidor analgico con "centro en cero". En la figura 8, el esquema muestra la corriente a travs de la prueba de forja. Cuando se encuentra la ubicacin de la falla a tierra, debe iniciarse de inmediato acciones correctivas, y el campo no debe ser operado antes de eliminar la falla.

Acciones preventivas para minimizar el efecto de los cortocircuitos y fallas a tierra.Las siguientes acciones se pueden tomar para detectar fallas de aislamiento y minimizar su efecto en el generador.Detector de Campo a Tierra.- Asegrese de que el detector de falla a tierra en el campo est conectado y funcionando correctamente. Cuando se active la alarma, la unidad debe ser disparada inmediatamente, y determinar la causa de la alarma.Sonda de flujo instalada permanente.- Una sonda de flujo de instalacin permanente permitir el seguimiento peridico del devanado de campo, tanto con carga y con condiciones de cortocircuito del estator. Esto permitir al usuario hacer un seguimiento de la condicin del devanado y con mayor precisin tomar decisiones concernientes a las reparaciones o rebobinado basado en la degradacin actual del devanado.Inspecciones y Pruebas Elctricas - inspecciones peridicas y pruebas elctricas del devanado de cobre y el sistema de aislamiento es la mejor manera de controlar su condicin. Cuando el campo es accesible, la condicin del aislamiento de las terminales del devanado se puede inspeccionar visualmente mirando debajo de los anillos de retencin. Si se retiran los anillos de retencin, las terminales del devanado pueden ser inspeccionados ms a fondo, especialmente si se elimina el bloqueo. Pruebas elctricas frecuentes que incluye la resistencia y la prueba de meghmetro dar la seguridad adicional con respecto a la condicin del aislamiento.

Rebobinados de campo.- Basado en los resultados de las inspecciones, monitoreo y pruebas, el rebobinado de un campo marginal puede reducir al mnimo las posibilidades de un paro forzado debido a una falla a tierra en el campo o tener que sacar de servicio el campo debido a la sensibilidad trmica ocasionado por espiras en cortocircuito.ConclusionesSe debe de tomar acciones inmediatas cuando se producen fallas a tierra del campo. La causa de la falla a tierra debe ser determinada y las acciones correctivas deben ser tomadas. La operacin con falla a tierra del campo puede conducir a graves daos e incluso una falla catastrfica debera producirse si ocurre una segunda falla a tierra. Desafortunadamente, no hay manera de determinar si y cuando se produce una segunda falla a tierra.Las unidades viejas y el desarrollo de muchos ciclos de arranque - paro, el aislamiento entre espiras se degradar y no es raro que aparezcan las espiras en cortocircuito. Muchas unidades han operado durante aos con espiras en cortocircuito sin afectar la funcin del campo o el generador. Es slo cuando la operacin del generador es inaceptablemente afectada por espiras en cortocircuito de manera que los valores nominales de la unidad no pueden ser obtenidos o debido a la sensibilidad trmica inaceptable, es necesario tomar medidas en relacin con la reparacin de las espiras en cortocircuito.Un curso de accin planeado para inspeccionar y probar el campo del generador es la mejor manera de asegurar la integridad del sistema de aislamiento. En caso de aislamiento de las averas se convierten, hay una serie de pruebas de diagnstico que se pueden realizar que puede sealar la localizacin y la gravedad de la falta. Al ser capaz de diagnosticar con precisin y rapidez la ubicacin y gravedad de la falta, el tiempo para poner en prctica la accin correctiva puede ser minimizado y el campo puede ser devuelto al servicio en el menor tiempo posible.