PRUEBA IMPULSOS “SURGE” EN ARROLLAMIENTOS
Introducido en los EE.UU. en los principios de los años ’50 como ensayo sistemático de la producción y realizado por primera vez en Europa por nuestra empresa en 1958, la prueba Impulsos de alta tensión, también llamada SURGE TEST, es la prueba más severa, rápida y segura para la detección de defectos en cualquier arrollamiento eléctrico, no sólo de los ya presentes en el momento de la prueba, sino también en aquellos en el estado latente, que sin duda con el tiempo podrían causar la avería del objeto.
De hecho, los defectos de aislamiento de un conductor (grabados, grietas, fallos, etc.) aunque al principio no causan problemas, después de un cierto tiempo de funcionamiento, aún corto, debido a los ciclos térmicos y a las solicitaciones mecánicas y electromagnéticas, pueden causar corto circuitos con la consecuente quema del arrollamiento.
El principio de funcionamiento es esencialmente el siguiente: un generador de alta tensión carga un condensador, que almacena energía.
El condensador se hace descargar, a la frecuencia de red (50 veces por segundo), a través de un sistema SCR, en los arrollamientos en prueba; esto causa solicitaciones muy estrictas, porque el frente empinado de alta tensión somete el aislamiento entre las espiras a solicitaciones similares a las que se producen, a causa de los fenómenos transitorios durante el uso normal de las máquinas eléctricas, debidos a las descargas atmosféricas, a impulsos de maniobra e interferencias causadas por unos equipos especiales (por ejemplo: los soldadores)
La resonancia entre la inductancia del arrollamiento bajo prueba y la capacidad montada en la herramienta, determina una oscilación amortiguada de la tensión durante la descarga.
La frecuencia de esta oscilación será determinada por la inductancia L del arrollamiento bajo prueba (número de espiras, tipo y calidad del hierro, disposición de los arrollamientos, tipo de conexión entre las diversas bobinas), mientras que la amortiguación será debida al factor de calidad Q de la misma (y por lo tanto ausencia de cortocircuitos, dispersiones hacia masa, etc.)
Comparando esta curva de respuesta con la de una muestra o la almacenada en la memoria, se pueden detectar diferencias debidas a defectos incluso en pequeñas cantidades, tales como: cortocircuitos entre las espiras o entre madejas, conexiones incorrectas, diferente número de espiras, aislamientos defectuosos, etc.
Con el fin de orientar el usuario en el mejor uso de esta herramienta, damos a continuación alguna información acerca de los puntos importantes de este tipo de prueba, destacando los aspectos de mayor utilidad y conveniencia en base a nuestra larga experiencia y colaboración con importantes industrias que han llevado a cabo serias pruebas de laboratorio.
A – GENERACIÓN DEL IMPULSO
Uno de los principales factores de calidad de nuestros equipos es el sistema de generación del impulso de alta tensión que, aplicado a los arrollamientos, determina la severidad de la prueba.
Entre los diferentes sistemas posibles, el más importante y seguro es lo de descarga del condensador.
Esto, en efecto, une a la seguridad y a la constancia en el tiempo, una simplicidad de circuito que significa fiabilidad y bajo coste en comparación con otros sistemas.
Los elementos que determinan las características del generador de impulsos son esencialmente:
- la velocidad de subida de la tensión
- la energia del impulso
- la frecuencia de repetición de los impulsos
La velocidad de subida del impulso de voltaje es determinada principalmente por el tipo de componente utilizado para cerrar el circuito en el arrollamiento bajo prueba.
El esquema del principio de funcionamiento es el siguiente:
T1 = Variador de tensión
T2 = Transformador elevador de tensión
D = Diodo rectificador con 1 semionda
C = Condensador de descarga
Z = Impedancia serie de protección
I = Interruptor electrónico. Se refiere a un sistema compuesto por SCR y diodos rápidos, que simula un interruptor electromecánico
L = Arrollamiento bajo prueba
E = Circuito de detección y examen de la curva de respuesta
Por medio de T1 se establece el valor de tensión deseado. Hay que tener en cuenta que este valor de tensión se entiende de pico, lo que está en contraste con valores tales como la rigidez dieléctrica alternante, que se expresa en valor eficaz.
El diodo D carga el condensador C, mientras que el interruptor I está abierto. En el siguiente medio ciclo, el circuito de cebo cierra I que provee a descargar C en L, ya que D no conduce.
a = Variación de tensión a los bornes del secundario de A.T. del transformador
b = Curva en bastardilla: variación de la carga del condensador
c = Punto de cierre del interruptor electrónico
d = Oscilación amortiguada de descarga
La parte que más nos interesa es, obviamente, la parte – d -, que es el resultado final de nuestra prueba. Vamos a examinar, en particular, la oscilación de la tensión que se produce en el arrollamiento bajo prueba desde el instante en que se cierra.
V = Variación de la curva de amortiguamiento de la oscilación, debido a las pérdidas (factor Q)
Vo = Tensión aplicada
t1 = Tiempo de subida de la tensión, o sea tiempo de cierre del interruptor electrónico
f = Frecuencia de resonancia del circuito oscilante, del cual se obtiene el valor de L en Henry
P1-P2 = Valores de pico
Así, podemos ver cómo la frecuencia de oscilación está determinada por la resonancia que se ceba entre el valor de capacidad del condensador interno de descarga y la inductancia del arrollamiento bajo prueba, de acuerdo con la relación:
Esto en teoría. En la práctica, sin embargo, otros factores intervienen para que la curva de respuesta de cada arrollamiento quede «específica», que son:
- la capacidad parásita entre las espiras y hacia la masa
- la inductancia de protección de la serie «Z» que, colocada al interior del instrumento, limita la corriente de pico en caso de corto circuito neto de los arrollamientos bajo prueba a los valores máximos previstos y evita la destrucción del »interruptor electrónico»
- la inductancia de dispersión
- la calidad y la cantidad de hierro en el núcleo
- la resistencia óhmica del arrollamiento
Esto significa que para cada arrollamiento corresponde una curva precisa y explica por qué arrollamientos exactamente iguales, pero que se construyeron usando diferentes máquinas o equipos de apoyo diferente (núcleos) de las bobinas, tienen desviaciones en la curva de respuesta de una cierta entidad.
La amortiguación de la oscilación V, sin embargo, está determinada esencialmente por R (resistencia óhmica del arrollamiento) y por L (inductancia) tal como se expresa por la fórmula, en relación con el rendimiento de la tensión en el tiempo.
También en este caso, intervienen otros factores para cambiar este valor, especialmente en presencia de pérdidas tanto de aislamiento existente entre las espiras del arrollamiento bajo prueba (cortocircuito más o menos neto) como de dispersiones hacia masa.
Básicamente, una o más espiras en cortocircuito se comportan como si, en un transformador, un arrollamiento secundario fuera puesto en cortocircuito: tendríamos una disminución considerable de la inductancia del primario con una absorción anómala de energía, teniendo en cuenta que la relación entre la inductancia y el número de espiras es cuadrática (duplicando el número de espiras de un arrollamiento, la inductancia se convierte en cuádruple).
En nuestro caso, puesto que la energía en juego es la suministrada por el condensador (acumulada durante la fase de carga), vamos a tener una más rápida amortiguación de la oscilación.
También cabe señalar que t1, el tiempo de subida de la tensión (tiempo necesario para pasar de 10% a 90% de la tensión máxima), es un valor muy importante, como se mencionó en el punto A: más la prueba es corta, más la misma es severa.
En nuestros equipos, este tiempo es conforme a la forma requerida por la IEC 60034-15 (de 0,2 µs + 0,3 / – 0,1 µs)
Con respecto a la interpretación de los valores de L y Q, véase más adelante en D.
B – ENERGIA DEL IMPULSO
El segundo punto crucial para la eficacia de la prueba, es la energía del impulso.
La energía de los impulsos en una prueba de «SURGE» es debida esencialmente por la almacenada por el condensador C y luego aplicada, en fase de descarga, al arrollamiento bajo prueba.
Se relaciona con la tensión de prueba y la capacidad del condensador, por la relación siguiente:
W = ½ C V2
W = energía en Joule C = valor de la capacidad en Farad V = tensión de prueba
De ello se desprende que la versión estándar de nuestra instrumentación, con condensador de 0,05 µF y una tensión máxima de 5.000V, proporciona un impulso de energía.
W = 0,625 J
El valor de la energía debe ser optimizado con el fin de permitir siempre la activación de una posible descarga entre puntos críticos de un arrollamiento, pero, al mismo tiempo, tenemos que evitar un valor excesivamente alto para no causar quemaduras inútiles o incluso perjudiciales.
Además, puesto que la capacidad del condensador y la inductancia del arrollamiento forman un circuito oscilante, en el caso de valores muy bajos de inductancia, para tener una oscilación suficientemente legible en el monitor, hay que tener una capacidad reducida de manera adecuada.
Además, puesto que la capacidad del condensador y la inductancia del arrollamiento forman un circuito oscilante, en el caso de valores muy bajos de inductancia, para tener una oscilación suficientemente legible en el monitor, hay que tener una capacidad reducida de manera adecuada. También hay que señalar una diferencia importante entre nuestro sistema de generación y los de la competencia
En nuestro caso, el interruptor electrónico está diseñado como un sistema de cortocircuito total; esto permite al condensador C y a la inductancia L de estar siempre conectados y luego, el circuito oscilante que deriva, procede de manera que la oscilación amortiguada resultante tenga una frecuencia constante, con la mejor explotación de la energía utilizada y por lo tanto mayor severidad de la prueba.
En otras palabras, el interruptor de tipo bidireccional que usamos, permite a la carga de entrar en resonancia con el condensador de descarga, que se traduce en una solicitación del arrollamiento bajo prueba en uno y otro sentido, mientras que la tensión actúa tanto con los valores positivos como con los negativos durante cada oscilación.
En cambio, en los sistemas de la competencia, el interruptor de «I» es unidireccional (por razones obvias de coste) y entonces la energía almacenada por el condensador se descarga en la inductancia que, sin embargo, no pudiendo cerrarse en el mismo, hace que el arrollamiento entre en resonancia sólo dentro de su frecuencia natural (capacidades parásitas) causando así una disipación de energía del impulso aplicado inicialmente.
Esto también se observa a partir de la forma de onda de la oscilación amortiguada que consigue: la frecuencia más baja en el primer período, y mucho más alta en la cola (con menor amplitud, es decir, tensiòn) debido al valor mucho menor de las capacidades parásitas en comparación con las de descarga.
Es evidente que este sistema, en igualdad de tensión, es menos severo que el nuestro, puesto que, para mejorar el resultado de la prueba, hay que tener una energía inicial más alta, que, sin embargo, en caso de descarga, puede causar una quemadura mayor en el punto crítico.
Por último cabe destacar la importancia de la velocidad de repetición de los impulsos por minuto, que tiene que ser adecuada para simular una prueba de vida que pueda evidenciar todos los posibles puntos débiles de un arrollamiento.
C – TENSIÓN DE PRUEBA
Aunque varias normas, especialmente dedicadas a arrollamientos de grandes máquinas eléctricas, aborden el tema (IEC 34-15, IEEE 522, etc.) para la elección de este valor, se remonta por analogía a lo utilizado en la prueba de rigidez dieléctrica, con la variación de que este valor es de cresta. Se utiliza, por lo tanto, la siguiente fórmula:
Vp = (2 V + 1000) x K
Donde:
Vp = Tensión de prueba
V = Tensión de trabajo del arrollamiento en prueba
K = Valor incluso entre 1,2 y 1,6 a la discreción del usuario
Este valor está dado por el hecho de que la tensión de impulso se relaciona con el valor de cresta (valor eficaz 1,41). La excursión posible es en función de las características del arrollamiento bajo prueba y de la calidad deseada.
Es muy importante precisar que, sin embargo, podemos tener diferencias considerables entre la tensión de prueba establecida y la tensión realmente presente en los extremos del arrollamiento bajo prueba.
De hecho, observando la figura, se observará que la impedancia Z puesta a seguridad del interruptor electrónico en caso de cortocircuito, junto con la impedancia de los cables de conexión y de los circuitos de conmutación, causará una caída de tensión que es una función del valor de impedancia de la misma carga (caso extremo: cortocircuito de la carga, tensión a los extremos = 0).
Por consiguinte, hay siempre que comprobar el valor exacto de la tensión efectivamente aplicada, sobre todo en presencia de bajas impedancias.
Esto se logra contando los centímetros (patrón de cuadros) de amplitud del primer pico de la curva de respuesta a la izquierda de la pantalla, y se multiplica por el valor del divisor de tensión (V / cm.) colocado en la parte inferior izquierda de la pantalla (por ejemplo: 4 cuadros – 200 V / cm = 800 V de tensión de impulso efectivamente aplicada en los terminales del arrollamiento bajo prueba).
D – EXAMEN DE LAS CURVAS DE RESPUESTA
Los resultados de las pruebas de SURGE-TEST entre las espiras de un arrollamiento, se evalúan esencialmente en función de dos parámetros: L y Q.
L = Indica el valor de inductancia del arrollamiento.
Se calcula por medio de la detección de la frecuencia de resonancia (f) que es, como ya se ha visto, en función del número de las espiras, de las conexiones de los diversos arrollamientos entre ellos y del núcleo de hierro. En caso de un valor diferente del que se encuentra almacenado, es posible, también por el examen visual de la curva de respuesta, remontar a las posibles causas mencionadas anteriormente.
Q = El valor indicado, es función del tiempo de amortiguación de la oscilación, debida a las pérdidas de aislamiento existente, y es dado por la relación entre los valores de pico de las primeras oscilaciones.
Cuanto mayor es el valor de Q, menor es la amortiguación y por lo tanto mejor será la calidad del objeto en prueba (ausencia de corto espiras, corto entre madejas, dispersiones). En las pruebas contra curva muestra almacenada, para permitir una evaluación objetiva y cuantificable del objeto bajo prueba, se aplican las siguientes relaciones:
Qs = factor de calidad de la muestra Ls = inductancia de la muestra
Cuanto más este valor es cercano a 100, mayor será la calidad del objeto en prueba.
Ambos valores quedan visualizados en la pantalla y, a través de los umbrales fijados, podemos obtener el resultado automáticamente por led verde-rojo de GO – NO GO.
Todos los datos se pueden imprimir en la impresora, si está presente.
Hay un tercer parámetro para evaluar la calidad de un arrollamiento: la presencia de efecto corona, también llamado de descargas parciales.
Ocurre entre 2 puntos del arrollamiento entre los que el aislamiento no es perfecto; esto provoca una pequeña fuga de electrones, que debido a su pequeña cantidad no llega a ionizar el aire presente y luego a determinar una descarga real.
El fenómeno, visto en la oscuridad, se detecta como una leve luminiscencia (de ahí el nombre de «efecto corona») y acústicamente como un crepitar de intensidad variable en función de su entidad.
Esto, que en sí mismo no es grave, puede determinar, en un tiempo incluso bastante largo, un envejecimiento más rápido de los aislantes presentes en ese punto para luego llegar a la quema del arrollamiento.
En la pantalla de nuestra instrumentación, este fenómeno se visualiza como una sobre oscilación, normalmente incluida entre 2-4 y 10 MHz, presente en la parte superior de la onda sinusoidal, como se muestra a continuación, que disminuye en intensidad con la amortiguación de la oscilación.
En los equ
ipos de tipo informatizado para pruebas de producción (H4 / C – H5 / C – H14 / C), el fenómeno, además que visualmente puede ser detectado y cuantificado automáticamente para un análisis más completo de toda la producción.
Conviene, sin embargo, hacer algunas consideraciones muy importantes.
El efecto «corona» es sin duda índice de aislamiento deficiente y, por lo tanto, si bien no se llegue a un daño verdadero, implica una probable vida más corta del arrollamiento en cuestión.
Sin embargo, para evitar alarmismos excesivos, debe tenerse en cuenta que, dado que estas descargas parciales se producen en el aire que separa los puntos implicados, la humedad y la temperatura presentes influyen muchísimo en su entidad.
Esto debe tenerse bien en cuenta, especialmente en los sistemas automáticos de detección.
De hecho, es extremadamente difícil establecer umbrales de aceptación válidos para todas las condiciones ambientales y que permanezcan constantes en el tiempo.
Normalmente es preferible aumentar unos pocos puntos porcentuales el valor de la tensión de prueba, para llegar eventualmente a la verdadera descarga e ignorar este factor muy incierto.
Además, la prueba de SURGE se lleva a cabo normalmente en arrollamientos aún no impregnados (esto es porque la situación es más crítica y para facilitar la eventual reparación), y luego, en los puntos en que hay defectos de esmalte o pequeñas abrasiones, con la contribución de barniz de impregnación, el problema desaparece.