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Décimo Quinto Encuentro Regional
Ibero-americano del CIGRÉ
Foz de Iguazú-PR, Brasil
19 al 23 de mayo de 2013
EXPERIENCIAS EN TECNICAS DE INSPECCION A NUCLEOS MAGNETICOS DE
HIDROGENERADORES
A. Salazar
Comisión Federal de Electricidad, LAPEM
RESUMEN
Se evalúan las técnicas de medición para la detección de puntos calientes en núcleos de estator de
hidrogeneradores, desde el ensayo clásico tradicional de Alto Flujo Magnético Circunferencial/Termovisión
versus la técnica más reciente de Detección de Imperfecciones Electromagnéticas en Núcleos “ELCID”. La
aplicación de estas pruebas en turbogeneradores han sido muy satisfactorias a la fecha; sin embargo, la ejecución
y diagnóstico en hidrogeneradores presenta una problemática única de efectos y parámetros que requieren
personal especializado para un diagnóstico cualitativo y cuantitativo de resultados, teniendo especial relevancia
los entrehierros de segmentos de laminación no presentes en los turbogeneradores, entre otros aspectos. Se
analiza la interpretación de los errores más comunes e inherentes que causan problemas durante la ejecución y el
diagnostico de ambas técnicas.
El presente estudio condensa lo más significativo de la experiencia obtenida en la detección de puntos calientes
en laminados de estator de hidrogeneradores mediante casos de estudio muy relevantes con fallas en servicio que
provocaron falla del aislamiento principal a tierra de los devanados del estator y fusión significativa de la chapa
magnética.
Finalmente, se analizan los criterios de aceptación y de mantenimiento para reparaciones de núcleos magnéticos
de hidrogeneradores, siendo el propósito principal no el seleccionar un solo método, sino de ponderar los pros y
contras de cada uno, de forma que se puedan complementar conforme a los requerimientos específicos de la
inspección.
PALABRAS-CLAVE
Generadores hidraulicos, núcleo magnético, pruebas de diagnóstico, rehabilitación, mantenimiento correctivo,
mecanismos de falla.
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1.
INTRODUCCIÓN
Los núcleos de estatores de maquinas eléctricas son construidas a partir de delgadas laminaciones de
acero las cuales están cubiertas por una delgada capa de aislamiento eléctrico para prevenir que el
flujo magnético rotatorio entorno al núcleo induzca corrientes de eddy entre laminaciones. En la
mayoría de generadores las laminaciones están conectadas eléctricamente a través de barras pasantes
que conforman el esqueleto del núcleo en forma de una jaula de ardilla, de modo que si existe algún
defecto en cualquier otro sitio del laminado, se formara una trayectoria de falla a través de las
corrientes inducidas por el flujo rotatorio.
Los puntos calientes pueden desarrollarse en operación debido al ingreso de cuerpos extraños dentro
del núcleo o al degradamiento del aislamiento interlaminar. Si no se detecta y corrige oportunamente
dicha anormalidad, los puntos calientes pueden dañar el aislamiento interlaminar adyacente y el
devanado mismo del estator llegando a incurrir en fallas catastróficas que ponen en alto riesgo la
integridad del generador y del personal operativo del mismo.
Para detectar posibles puntos calientes en núcleos de estator se requiere remover el rotor e instalar un
devanado toroidal para producir un flujo circunferencial entorno al núcleo, bien sea de alto o bajo flujo
magnético según la técnica de prueba utilizada.
2.
OBJETIVO
Evaluar las técnicas de medición para la detección de puntos calientes en núcleos de estator de
hidrogeneradores, e interpretar los errores más comunes e inherentes que causan problemas durante la
ejecución y el diagnostico de las pruebas ELCID y TOROIDE/TERMOVISION.
3.
TECNICAS DE INSPECCION
3.1 Circuito de Alta Potencia de Flujo Magnético Circunferencial/Termovisión
Previos cálculos referidos al IEEE Std. 56, se instala un circuito de cable grueso entorno al hueco del
núcleo en forma toroidal y concéntrica con el eje axial del estator, normalmente se requieren de 5 a 15
vueltas. Se energiza el circuito con alta tensión para excitar el núcleo a niveles operacionales de
densidad de flujo (normalmente de 1 a 1.5 Teslas). En seguida, se puede explorar el área total de la
estructura del núcleo con una cámara de termovisión que disponga de lentes gran angular para
explorar grandes porciones de la superficie y lentes telefoto para vigilar de cerca los puntos de
elevadas temperaturas. El examen total se efectúa desde el interior del núcleo. Las áreas de
calentamiento localizadas en la superficie son fácilmente detectables al principio de la prueba en
contraposición con el calentamiento bajo la superficie que toma hasta una hora posterior a la
energización del circuito.
3.2 Detección de Imperfecciones eléctromagnéticas “ELCID”
Recientemente se ha venido utilizando la técnica conocida como ELCID -Electromegnetic Core
Imperfection Detector- desarrollado por CERL. Esta prueba también requiere de un devanado de flujo
toroidal que utiliza solamente el 4% del flujo nominal de la maquina e induce pequeñas corrientes que
fluyen a través de cualquier región dañada del núcleo. El calentamiento de estas corrientes es
insignificante, no obstante estas pueden ser detectadas y medidas electromagnéticamente. La forma de
detección de dichas corrientes inducidas es mediante el desplazamiento de una bobina recolectora de
campo magnético denominada CHATTOCK (ROGOWSKY) a lo largo y ancho del núcleo del estator,
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obteniéndose un registro digital de las mismas para su análisis. Cualquier área dañada del núcleo se
reflejara como picos máximos en los graficas desplegadas por el equipo.
La siguiente tabla resume las ventajas y desventajas de ambas técnicas
Evaluación
Consideración
seguridad
hombre
máquina
logistica
tiempo (horas)
material
equipo
personal
calidad
de presición
información
subjetividad observador
detección fallas bajo la superficie
condiciones opereativas
otros beneficios calentamiento del núcleo
vibración núcleo
posibilidad probar parcialmente
Tecnica de detección
Toroide
ELCID
mínimo
ninguno
mínimo
ninguno
24-36
8
extenso
mínimo
considerable
mínimo
6-10
3
buena
Alta
moderada
Baja
limitada
Si
alto flujo 1-1.5 T
bajo flujo 0-4% Nom.
si
No
si
No
no
Si
3.3 Consideraciones preliminares
Antes de intentar buscar una correspondencia de la medición de ELCID y Alto Flujo Magnético
Circunferencial/Termovisión es necesario conocer e identificar posibles distorsiones que afectan la
correspondencia entre la medición y la condición física del daño.
Entre las causas más comunes a considerar están:



Formas alternativas de disposición del devanado de excitación.
Desalineación del devanado de excitación con respecto al eje axial del núcleo
Efectos de proximidad entre el sensor Chattock, el devanado de excitación y entre los
cabezales del devanado del estator.
3.3.1 Errores más frecuentes cometidos durante la ejecución de las mediciones
a) Toroide/Termo vision
Fuentes de distorsión
Cuerpos luminosos
Angulo de la medición del
termograma
Emisividad
Interpretación de Termogramas
Causas de la distorsión
Reflejo del cuerpo luminoso
Se tienen ángulos mayores a a 30 C, y la recomendación es
tomar el termograma perpendicular a la superficie del cuerpo.
No se determina adecuadamente la emisividad del la
superficie a termografiar
No se tiene el nivel adecuado de certificación, se sugiere un
termógrafo nivel 2.
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b)
ELCID
Fuentes de la distorsión
Discontinuidad del circuito magnético:
Entrehierros de segmentos, ductos de
ventilación
Proximidad de la bobina de excitación al
sensor Chatock
Proximidad de la bobina de excitación a los
devanados del estator.
Disposición de la bobina de excitación
Causas de la distorsión
Cambio de permeabilidad del flujo magnético,
acero al silicio-aire-acero al silicio
El campo magnético de la corriente
El flujo esta significativamente reforzado por el
campo electromagnético
El flujo del núcleo depende de la distancia de los
cables al núcleo.
3.4 Criterios de evaluación propuestos
A través de la experiencia de campo adquirida y prácticas recomendadas por algunos fabricantes de
generadores se proponen lo siguiente:
Prueba
ELCID
(mA)
TOROIDE
(ºC)
Pruebas de aceptación
Pruebas de mantenimiento
Aceptable
Investigación
Reparación
Aceptable
Investigación
Reparación
0-100
100-200
> 200
0-200
200-400
> 400
<5
10- 20
> 10
< 10
10 a 20
> 20
4. CASOS DE ESTUDIO
4.1 Caso de studio I: Generador 80 MVA, 13.8 kV, 504 ranuras, diámetro interior 9 m.
4.1.1 Prueba de ELCID
Fig. 1: Detección de falla en fondo de ranuras 250 A 255.
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Fig. 2: Detección de fallas internas en R-253.
4.1.2 Prueba de alto flujo circunferencial magnético/Termovisión
Fig. 3 y 4: Termograma y foto correspondiente a las ranuras 252, 253 Y 254.
4.1.3 Análisis del Caso:
La causa raíz del problema fueron fugas continuas y significativas de aceite de chumaceras que
degradaron el aislamiento interlaminar en los extremos inferiores del núcleo, lo cual permitió la
vibración libre de paquetes de laminaciones que con la operación continua del generador terminaron
fracturándose e incrustándose en el aislamiento principal de los devanados ocasionando una falla
catastrófica del generador en núcleo y devanados.
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4.2 Caso de Estudio II: Generador 125 MVA, 16.5 kV, 24 polos, 300 RPM
Fig. 5: Falla súbita del aislamiento de barra de estator
Figura 6: Fusión del laminado del estator
4.2.1 Prueba de ELCID
TENDENCIA DE LA CORRIENTE DE FALLA RAN 236 DEL NUCLEO DE ESTATOR U2
7920
8000
7000
6000
5000
3700
I (mA) 4000
2300
3000
2260
1579
2000
1078
909
1000
627
412
438
366
240
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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Reparación y Medición No.
Figuras 7 y 8: Evolución y trazi final de La prueba de ELCID
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4.2.2 Prueba de Alto flujo Magnético Circunferencial/Termovisión
Fig. 9: Termograma com diferencial térmico en R 236 con 20.8 °C (49.9-30.8°C)
4.2.3 Análisis del caso II
La causa raíz de la falla se derivo de mecanismo de degradación interna y externa del volumen del
aislamiento principal a tierra, ya que la barra extraída y analizada en laboratorio mostró las siguientes
evidencias
1. Oxido de cobre en subconductores internos derivado de humedad por aguas negras que penetraron
por capilaridad al aislamiento.
2. Degradamiento de revestimientos graduadores de campo eléctrico, carburo de silicio y pintura
semiconductora.
5. CONCLUSIONES
Los diferentes casos de estudio analizados muestran la efectividad de las técnicas analizadas
presentando una alta correlación entre ellas mismas. Es posible que ambas pruebas no puedan detectar
algún daño, ya que ninguna prueba simula completamente los esfuerzos magnéticos, mecánicos y
térmicos en condiciones normales de servicio. Estos factores pueden influir en el contacto eléctrico
entre laminaciones en las barras que conforman el esqueleto del estator descrito con anterioridad.
El propósito de esta presentación no es la de seleccionar un solo método, sino de ponderar las ventajas
y desventajas de cada uno, de forma que se pueda seleccionar la técnica mas apropiada para las
circunstancias especificas de la inspección.
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6. BIBIOGRAFIA
1. IEEE 56 Reaff 1991 “Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating Current Rotating
Machinery”
2. IEEE Std. 115-2002, “Guide for Test Procedures for Syncronous Machines Part I-Acceptance and
Performance Testing, Part II-Test Procedures and Parameters Determination for Dynamic
Analysis.
3. J. Shutton, “Theory of Electromagnetic Testing of Laminated Stator Cores”.
4. J.E. Timperley, “Machine Stator Iron Evaluation Though the Use of Resonant Ciorcuits”, IEEE
septiembre 1986.
5. C. Rickson, C Eng. M.I.E.R.E., “Electrical Machine Core Imperfection Detection”, IEE
PROCEEDING, VOL 133, Mayo 1986
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