Fallas por aislamiento en motores eléctricos: cómo medirlo y solucionarlo

El aislamiento eléctrico se usa para dirigir la corriente a través de un camino deseado y evitar que fluya donde no se desea. El aislamiento eléctrico adecuado es fundamental para el rendimiento y la longevidad de un motor eléctrico. La rotura del aislamiento es una de las causas más frecuentes de fallo por baja resistencia y aislamiento en motores eléctricos. En los generadores eléctricos, por ejemplo, el 56% de las fallas se originan por daños en el aislamiento eléctrico.

Sistemas de Aislamiento en motores eléctricos

En los motores existen dos sistemas de aislamiento. Un sistema es el aislamiento de la pared de tierra que separa las bobinas del marco o carcasa del motor. El segundo sistema de aislamiento es el  aislamiento de los devanados que separa los conductores que se enrollan para crear los devanados del motor. Los estudios han demostrado que aproximadamente el  80 % de las fallas eléctricas del estator ocurren en el aislamiento del devanado, mientras que solo el 20 % ocurren entre las bobinas y la estructura del motor o en cortocircuito directo a tierra.

¿Qué es la falla de aislamiento en motores eléctricos?

La falla del aislamiento eléctrico ocurre cuando el aislamiento del motor comienza a degradarse con el tiempo o por otras razones. El envejecimiento o el sobrecalentamiento provocan cambios químicos en el aislamiento que hacen que el aislamiento se vuelva más conductivo y se vuelva menos eficaz para evitar que la corriente siga caminos no deseados entre los conductores o hacia la estructura del motor. Algunas fallas de aislamiento, particularmente en el sistema de aislamiento de la pared del suelo, son instantáneas debido a la entrada de humedad, contaminación u otros eventos únicos e inusuales. Estos eventos atacan los vacíos u otras debilidades en el aislamiento y conducen a una falla prematura. Las fallas en el sistema de aislamiento de los devanados del motor eléctrico se materializan lentamente y se deterioran con el tiempo.

¿Cuáles son las fallas más comunes en el aislamiento de motores eléctricos?

Las causas comunes de fallas en el aislamiento de motores eléctricos incluyen:

• Calentamiento excesivo

• Contaminación de bobinado

• Consumo de corriente excesivo

• Mala calidad de energía

• Distorsión armónica.

En este artículo tienes una guía que te mostrará el camino  a través de cada etapa del deterioro del aislamiento eléctrico para que puedas ser proactivo y realizar un seguimiento de estos cambios en el aislamiento de su equipo de motor.

Etapas de falla del aislamiento en motores eléctricos

La mayoría de las fallas de aislamiento ocurren de manera lenta y constante, pasando por tres etapas distintas.

ETAPA 1: Ideal para la detección temprana de la falla por aislamiento en motores eléctricos

Durante la primera etapa de la falla del aislamiento eléctrico, el aislamiento entre los conductores se tensa y comienza a cambiar químicamente. El aislamiento cambia químicamente de un aislante y comienza a convertirse en un conductor. La fuerza del aislamiento y la capacitancia comienzan a disminuir. El aislamiento puede comenzar a carbonizarse, lo que hace que la corriente se vuelva más resistiva y menos capacitiva. Si el aislamiento de la pared de tierra sufre el cambio, la resistencia del aislamiento disminuirá y el factor de disipación aumentará. Si el aislamiento del devanado sufre el cambio químico, cambiará el ángulo de fase (Fi) y/o la respuesta de frecuencia actual.

La identificación de problemas en el motor eléctrico en esta etapa de falla del aislamiento es extremadamente importante para una operación confiable del sistema eléctrico de una planta industrial. En esta etapa aún no se presenta un flujo de corriente indeseable entre conductores, aunque el riesgo de que comience a hacerlo es alto. Afortunadamente, la detección temprana a través de la comprobación de los devanados del motor y la realización de pruebas de aislamiento adecuadas en el motor eléctrico es extremadamente beneficiosa. La detección temprana de fallas de aislamiento en motores eléctricos permite a un responsable de mantenimiento abordar el deterioro mientras sigue siendo relativamente menor, ahorrando tiempo y dinero y evitando fallas catastróficas.

ETAPA 2: Posible falla intermitente en el motor

Durante la segunda etapa de falla del aislamiento eléctrico, el deterioro de los devanados se vuelve más pronunciado. A continuación se presentan algunas de las características de falla por aislamiento en motores eléctricos que pueden presentar:

• La degradación del material aislante aumenta.

• La corriente continúa volviéndose más resistiva.

• El calor aumenta en el punto principal de falla del aislamiento.

• El motor comienza a disparar intermitentemente el variador o el disyuntor, aunque puede continuar funcionando una vez que el aislamiento se enfríe.

ETAPA 3 — Falla catastrófica

Si los signos previos de falla del aislamiento no se han detectado o no se han abordado, es probable que el motor experimente una avería total. A continuación se presentan algunas de las características que el devanado suele exhibir en esta etapa:

• El aislamiento se rompe por completo, creando un atajo entre el devanado o un camino directo para la corriente desde el devanado a tierra oa la estructura del motor.

• Se desarrolla una ruptura explosiva en el punto de falla.

• Se producen cambios de inductancia y resistencia.

• Las bobinas de cobre comienzan a derretirse en respuesta al calor excesivo.

• El motor dispara continuamente el variador o el disyuntor al arrancar.

• El flujo de corriente entre conductores está presente.

Muchos medidores y dispositivos eléctricos deberían detectar fallas en esta etapa de falla del motor (o cuando hay un corto a tierra completo que indica un problema de seguridad grave). Si pones a trabajar los motores hasta que fallen, es posible que no necesites saber qué le sucede a tu motor o conocer el estado de salud de tu motor.

Causas de la falla de aislamiento en motores eléctricos

Los factores estresantes como la temperatura, los contaminantes y las tensiones eléctricas, como las sobretensiones sostenidas, pueden dañar fácilmente el aislamiento eléctrico y causar averías. El riesgo de falla del aislamiento en motores eléctricos también aumenta con el tiempo, ya que estos diversos factores interactúan entre sí para causar el deterioro. Por ejemplo, pueden aparecer pequeños agujeros o grietas en el aislamiento debido al desgaste diario. Esas grietas debilitan el aislamiento y también crean vías para que ingresen la humedad y los contaminantes químicos, lo que degrada aún más el aislamiento.

A continuación se presentan algunas de las causas más comunes de fallas en el aislamiento eléctrico de un motor así como los procedimientos para detectar problemas en motores eléctricos y cómo resolverlos:

• Contaminantes: el aislamiento del devanado se debilita debido al contacto con contaminantes como el refrigerante de la máquina herramienta, el aceite y otros productos químicos. Estos contaminantes a menudo tienen un efecto corrosivo, rompiendo el aislamiento con el tiempo. Los contaminantes húmedos suelen ser conductores porque contienen impurezas, por lo que disminuyen la resistencia a medida que se filtran en el aislamiento a través de pequeñas grietas y poros.
• Mala calidad de la energía: los devanados pueden sobrecalentarse debido a problemas de calidad de la energía, incluidos niveles de voltaje y corriente desequilibrados. Incluso un aumento modesto en la temperatura debido a estos problemas puede crear un punto de acceso térmico que conduce a una disminución sustancial en la resistencia del aislamiento y provocar fallas en el motor eléctrico.
• Sobrecarga: los devanados pueden sobrecalentarse debido al alto consumo de corriente causado por cargas excesivas. La sobrecarga también puede causar una subida de tensión que rompa el aislamiento.
• Alta temperatura ambiente: Una causa común de falla en el aislamiento de motores eléctricos se debe a que los devanados también pueden sobrecalentarse debido al alto calor en el entorno operativo. Especialmente en un área con ventilación limitada, el calor que genera el equipo puede ejercer una tensión excesiva en el aislamiento del devanado de un motor.
• Voltajes transitorios: los voltajes transitorios pueden desarrollarse a partir de fuentes internas o externas y, a menudo, ocurren durante el arranque del motor. La frecuencia de la corriente transitoria puede ser varias veces mayor que la corriente típica en los devanados, lo que genera una tensión extrema en el aislamiento.

Debido a que el riesgo de falla del aislamiento en un motor eléctrico es relativamente alto con el tiempo, los técnicos de mantenimiento deben tener las herramientas y la capacitación que necesitan para detectar los signos de falla del aislamiento y abordarlos rápidamente.

Pruebas básicas, Métodos e Instrumentos para detectar fallos de aislamiento en motores eléctricos

A la pregunta ¿Cómo medir la resistencia de aislamiento de un motor eléctrico? aquí te damos una guía a seguir.

Para prolongar la vida útil de los sistemas y motores eléctricos, se requieren pruebas periódicas de resistencia de aislamiento. A lo largo de los años, después de muchos ciclos de funcionamiento, los motores eléctricos están expuestos a factores ambientales como la suciedad, la grasa, la temperatura, el estrés y la vibración tal y como hemos comentado en este artículo. Estas condiciones pueden provocar fallas en el aislamiento del motor eléctrico, lo que puede provocar pérdidas de producción o incluso incendios.

Un sistema de resistencia de aislamiento de motor efectivo tiene una alta resistencia, generalmente (como mínimo absoluto) superior a unos pocos mega ohmios (MΩ). Un sistema de aislamiento deficiente tiene menor resistencia de aislamiento. La resistencia de aislamiento óptima para un motor eléctrico suele estar determinada por las especificaciones del fabricante, la criticidad de la aplicación en la que se utiliza el motor y el entorno en el que se encuentra.

Es prácticamente imposible determinar reglas para el valor mínimo real de resistencia de aislamiento de un motor eléctrico porque la resistencia varía según el método de construcción, la condición del material de aislamiento utilizado, el voltaje nominal, el tamaño y el tipo. Una regla general es 10 megaohmios o más. Se dice que el sistema de aislamiento de un motor eléctrico está en buenas condiciones si:La resistencia de aislamiento medida es mayor o igual a 10 MΩ

Nivel típico de resistencia de aislamiento para motores eléctricos

No existen reglas para determinar el valor mínimo de resistencia de aislamiento de un motor. La mayoría de los datos disponibles son empíricos.

Cómo medir la resistencia de aislamiento de un motor

La medición de la resistencia de aislamiento se realiza por medio de un Megóhmetro, un ohmímetro de alto rango de resistencia. Para medir la resistencia de aislamiento, se aplica un voltaje de CC de 500 V o 1000 V entre los devanados y la tierra del motor.

Durante la medición e inmediatamente después, no se debe tocar ningún terminal del motor ya que algunos de ellos llevan tensiones peligrosas que pueden ser fatales.

La resistencia de aislamiento mínima del motor medida a tierra a 500 V se puede medir a una temperatura del devanado de -15 °C a 20 °C. La resistencia de aislamiento máxima se puede medir a 500 V con una temperatura de funcionamiento de los devanados de 80 a 120 °C, según el tipo de motor y la eficiencia.

Cómo calcular la resistencia de aislamiento mínima de los motores

La resistencia de aislamiento mínima de cualquier motor, Rmin, se puede calcular multiplicando la tensión nominal, VR, por el factor constante 0,5 MΩ/kV:

08Rmín = 0,5*VR

Comprobaciones periódicas de la resistencia del aislamiento del motor

La clave para prolongar la vida útil de cualquier dispositivo eléctrico son las comprobaciones y el mantenimiento periódicos. La resistencia de aislamiento de los motores almacenados y activos debe comprobarse periódicamente:

1. Si la resistencia de aislamiento de un motor nuevo, limpiado o reparado que ha estado almacenado durante algún tiempo es inferior a 10 MΩ, la razón puede ser que los devanados están húmedos y deben secarse.
2. Para un motor en operación, la resistencia de aislamiento mínima puede caer a un nivel crítico. Si el valor medido de la resistencia de aislamiento es mayor que el valor calculado de la resistencia de aislamiento mínima, el motor puede seguir funcionando. Sin embargo, si cae por debajo de este límite, el motor debe detenerse inmediatamente para evitar daños al personal debido a la alta tensión de fuga.

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