Los Programas de Controles Periódicos (PCP) implementados en las grandes máquinas eléctricas rotativas, y que forman parte del sistema de Mantenimiento Predictivo (MPd) de toda central eléctrica, tienen como objetivo fundamental determinar el estado de los componentes de las unidades generadoras y motoras, estableciendo de tal forma el nivel de confiabilidad general de operación de las mismas.

De todos estos componentes, el núcleo magnético del estator (NME) es uno de los más importantes, ya que su funcionalidad intrínseca en el sistema electromagnético de la máquina, así como su valor económico, lo convierten en un activo crítico a la hora de diagnosticar su estado.

A lo largo del tiempo se han desarrollado un conjunto de tecnologías y métodos asociados, con el objetivo de evaluar y diagnosticar el estado de la estructura global del NME. Una de estas tecnologías es la de Flux Test, la cual se ha venido aplicando durante décadas en forma confiable y efectiva en sus propósitos.

Sin embargo, debido a sus características operativas, la tecnología de Flux Test no es la apropiada para implementar en un PCP; por tal motivo, se han desarrollado alternativas tecnológicas que permiten realizar los controles sobre el núcleo en forma rápida y fácil, disminuyendo al mismo tiempo los recursos necesarios.

A comienzos de 1980 surge la tecnología ELCID (ELectromagnetic Core Imperfection Detector), la cual introduce una innovación decisiva en los principios de operación del sistema de medición, ya que el método de sensado es de base electromagnética.

Entre otras ventajas, permite la utilización de fuentes de excitación de mucha menor potencia que las requeridas por el ensayo de Flux Test, así como disminuir notablemente los recursos y tiempo de implementación, debido a su característica portátil. Todo ésto le permite adaptarse a la estrategia del MPd.

A través de tres casos trataremos de cumplir con el objetivo propuesto, y por tal motivo hemos seleccionado el estudio de un Turbogenerador, un Hidrogenerador y un Motor Asincrónico, todos con el rotor no instalado, atendiendo al hecho de que estas categorías de máquinas poseen diferencias constructivas significativas en la estructura del NME, permitiendo así vislumbrar todo el espectro de posibilidades que se presentan en la implementación del ensayo, análisis, diagnóstico y solución a los problemas.

Por lo tanto, hemos organizado este trabajo de la siguiente forma:

• Estructura del Núcleo Magnético del Estator.
• Pérdidas en el Núcleo Magnético del Estator.
• Factores de Fallas.
• Ensayos Eléctricos en el Núcleo Magnético del Estator.
• Casos de Estudio.

El NME de las máquinas sincrónicas y asincrónicas es el componente que permite contener el flujo útil, estableciendo de tal forma el cierre del circuito magnético a través de un camino de baja reluctancia, junto al circuito magnético del rotor.

Estructuralmente es una corona de material magnético sobre la cual se disponen varias ranuras, en las cuales se montarán las bobinas o barras del arrollamiento del estator.

Debido a que cada punto del material magnético del núcleo se encuentra sometido a una magnetización cíclica (ya que el flujo útil es giratorio), se lo construye en delgadas chapas de acero eléctrico (Fe – Si), estableciendo así una estructura laminar de este componente, de características segmentadas para las grandes máquinas. De esta forma se consigue reducir las pérdidas debidas a las corrientes de Foucault (ó parásitas ó de efecto Eddy).

Las chapas de acero eléctrico deben poseer las propiedades necesarias para la función requerida del núcleo magnético, por lo cual se fabrican en un amplio rango de espesores, clase de tratamiento, característica del grano orientado y acabado superficial. Se caracterizan por ser de bajo contenido de carbono y de manifestar buenas características magnéticas y eléctricas ante la excitación de campos magnéticos variables en el tiempo.

En las grandes máquinas eléctricas rotativas, las chapas de acero eléctrico utilizadas poseen un contenido de Si en el rango de 3 % a 4 %, con espesores de 0,25 mm a 0,5 mm, y cifra de pérdidas entre 1,5 a 2,5 W/kg, según se establece en el sistema de clasificación y graduación AISI (American Iron and Steel Institute).

Cada una de las chapas se aislan en ambas superficies, con el fin de confinar a las Corrientes de Foucault (CF) a un camino de circulación a lo largo de la misma, evitando así la circulación entre chapas adyacentes. Esta aislación eléctrica superficial se la conoce como Aislación Interlaminar (AIL) y representa un elemento crítico en el proceso de degradación del NME.

La Norma ASTM A976-1997 especifica las clases de AIL a aplicar sobre cada chapa, de acuerdo el tipo de máquina. Para grandes máquinas rotativas se establecen las clases C-4 ó C-5 (aislación inorgánica basada en el fosfato de aluminio).

Como consecuencia de las pérdidas en el hierro y en el cobre, la energía calórica derivada de éstas, deberá disiparse al medio externo de la máquina con el fin de establecer una sobretemperatura acorde a los límites térmicos especificados por la clase de aislación.

Por lo tanto, el NME se segmenta, determinando así una estructura de paquetes elementales axiales, separados entre sí por distanciadores de material no magnético, con una distancia efectiva de 6,5 mm a 15 mm entre éstos, quedando así conformados los canales de ventilación radiales. De esta forma se aumenta la superficie de contacto con el gas refrigerante.

o.

Es un hecho conocido que todos los materiales se degradan con el tiempo, al ser sometidos a distintas solicitaciones operativas, provocando de tal modo la degradación de las propiedades requeridas en sus funciones.

Los materiales ferromagnéticos utilizados en la construcción del núcleo no escapan a este proceso de degradación, por lo que podemos establecer de antemano que el envejecimiento de los mismos llevará inevitablemente al aumento de las pérdidas en el estator, así como al aumento de la corriente de magnetización necesaria para alcanzar el rendimiento requerido en la operación de la máquina.

El aumento de estas pérdidas generará una cantidad de calor adicional, que, por lo común, no podrá disiparse a través del sistema de refrigeración de la máquina y por lo tanto tendrá un efecto de realimentación en el proceso de deterioro del núcleo, ya que la degradación térmica, derivada de esta cantidad de calor, será una causa más en la generación de fallas interlaminares y aceleración del envejecimiento de los materiales.

Por lo tanto será conveniente hacer un repaso de las componentes de las pérdidas en el NME. Tendremos:

a- Pérdidas por Histéresis. Es debida al trabajo de orientación molecular, ya que sólo una parte de la energía requerida en el proceso de alineación de los dominios magnéticos es recuperable; el resto de esta energía se convierte en calor. Se expresan de la siguiente forma:

b- Pérdidas por Foucault. Se deben al efecto Joule por la circulación de corrientes inducidas en el volumen del material ferromagnético. El acero eléctrico posee una conductividad eléctrica (σ = 1/ρ), la cual favorece la circulación de CF, debidas a las fems inducidas por la variación temporal de la inducción magnética. La expresión será:

Se observa que dependen directamente del cuadrado del espesor de la chapa (e), y de esta forma se justifica la laminación del núcleo en delgadas chapas de acero eléctrico, aisladas una de otra.
En la Figura 1 podemos observar la circulación de estas corrientes parásitas, a lo largo de las laminaciones, para el caso en que no existan cortocircuitos magnéticos interlaminares -caso normal-.

Cuando se produce una falla interlaminar, se tendrá una nueva distribución de las líneas de corriente, resultando de tal modo en una circulación entre chapas y en un consecuente aumento de las pérdidas asociadas.
En la Figura 2 podemos apreciar este problema.

c- Pérdidas Superficiales y por Pulsación. Además de las pérdidas ya citadas, las cuales se establecen en el volumen del paquete magnético, existen otras pérdidas que se desarrollan en la superficie del núcleo y componentes adyacentes. Se deben a la discontinuidad y al movimiento relativo que existe entre las superficies enfrentadas del estator y rotor.

Es importante tener en cuenta que existe un conjunto de factores que alteran los valores teóricos o de diseño de las citadas pérdidas, provocando el aumento de las mismas.
A continuación describiremos estos factores de falla.

La degradación de los componentes del NME tiene sus causas en el envejecimiento natural de los materiales que lo conforman, así como de determinados factores de fallas, que aceleran a su vez este envejecimiento.
De estos componentes, la AIL es el más sensible a la acción de los factores de fallas, por lo que se han diseñado ensayos eléctricos para determinar su estado.
Se entiende entonces, que la detección temprana de los síntomas derivados de los factores de falla sobre la AIL, es un objetivo fundamental en la estrategia del MPd, ya que si la degradación alcanza un grado de avance límite, se deberá recurrir a un reemplazo parcial o total del núcleo magnético.
La detección a tiempo de los problemas, así como determinar el grado de severidad alcanzado, se pueden acometer a través de las siguientes dos estrategias, bien definidas y complementarias: 1) Inspección visual, 2) Implementación de ensayos (eléctricos y mecánicos).
Sin pretender ser exhaustivos en la descripción de los factores de fallas que se pueden manifestar en la estructura del núcleo, y que degradan a la AIL, podemos a continuación realizar una clasificación de los mismos, así como citar algunas fuentes que les dan origen.

a- Térmicos. Refiere al proceso de envejecimiento de los materiales del núcleo, por causa de valores de temperatura en la máquina, que superan los nominales, durante un tiempo prolongado.
Como consecuencia de la degradación térmica, los materiales que conforman la AIL se tornan frágiles, provocando así grietas y el posterior desarrollo de cortocircuitos interlaminares.
Entre algunas de las causas podemos citar: funcionamiento de la máquina a alta temperatura ambiente y de operación (para refrigeración abierta o por aire), obstrucción parcial o total de los canales de ventilación, etc.

b- Mecánicos. Comprende a todas aquellas causas de origen mecánico, que degradan a la AIL. Podemos nombrar algunas: vibración del núcleo, daño por impacto en la superficie del estator, inadecuada o reducida presión mecánica en el ajuste de la estructura de soporte del núcleo, deformaciones plásticas por accidentes durante los mantenimientos, daños en las laminaciones de los dientes luego de los acuñados, etc.

c- Eléctricos. En esta clase se agrupan todas las causas que provocan el envejecimiento eléctrico. En algunos casos estas causas se relacionan íntimamente con el deterioro térmico.
Podemos nombrar, entre otras: sobretemperatura localizada por modo de operación de la máquina (sobreexcitación, subexcitación), fallas a tierra del arrollamiento del estator, etc.

d- Electromagnéticos. Tiene en cuenta los efectos de la fuerza electromagnética de atracción entre el estator y el rotor. Si el rotor no se encuentra suficientemente rígido, esta fuerza será la causa del rozamiento con el estator y el consecuente daño sobre la superficie interna del NME.

Este problema se observa generalmente en máquinas asincrónicas -pequeñas y medianas-, así como en hidrogeneradores (como consecuencia del efecto UMP – Unbalanced Magnetic Pull).

e- Ataque químico y contaminación. A esta categoría pertenecen todas aquellas acciones de naturaleza química y contaminante, que afectan las propiedades de la AIL. Por ejemplo, podemos tomar el caso de una máquina que opera en un medio ambiente ácido o aquel que se presenta en los hidrogeneradores por contaminación de los materiales de frenado (freno de ferodo).

f- Diseño. Agrupa a todas aquellas causas que se derivan de un deficiente diseño de los componentes de la máquina.
Podemos citar que un deficiente diseño del sistema de refrigeración en ciertas zonas del estator, puede provocar un sobrecalentamiento localizado del mismo, con la consecuente degradación de la AIL en esa zona. En grandes hidrogeneradores, también por esta misma causa, se observan ondulaciones de los núcleos, en las primeras horas de operación.

g- Fabricación. Durante la fabricación y el montaje del NME, se pueden presentar un conjunto de causas que afectan notablemente las capacidades de la AIL.
Podemos nombrar: existencia de rebabas, mala calidad de los materiales que conforman la AIL, daños por impacto del rotor con el estator (deformaciones plásticas) durante el proceso de ensamblado en fábrica, etc.

Debemos destacar que varios de los efectos de estos factores de fallas, se manifiestan luego de varios ciclos de trabajo, con cargas variables.

Este ensayo, también conocido con los nombres de High Flux Ring Test ó Thermal Loop Test, se viene implementando desde hace varios años, demostrando ser muy efectivo a la hora de establecer la integridad global de la aislación interlaminar, en grandes generadores y motores de alterna.

Se basa fundamentalmente en inducir un flujo magnético alterno en la corona del núcleo, cuyo valor se encuentre en el rango del 70% al 100% del nominal. Este flujo de excitación, de dirección tangencial, inducirá CF en toda la estructura del NME, con la particularidad que en las zonas en donde existan daños en la AIL se tendrá un calentamiento excesivo (puntos calientes o hot spots), el cual será detectado por técnicas de infrarrojo.

Las características básicas para el diseño del sistema de excitación se pueden consultar en la IEEE Std. 432. Pero resumiendo, podemos decir que para grandes máquinas, se requiere disponer de una fuente de MT del orden de 3 kV a 5 kV de suficiente capacidad (se usan por lo general dos fases). La capacidad de la fuente se obtiene de cálculos, en función de los parámetros del circuito magnético de la máquina y de la fuente de excitación disponible.
Las limitaciones y condiciones de empleo de esta tecnología son las siguientes:

• Se requiere remover el rotor, lo cual resulta un problema técnico-económico en grandes hidrogeneradores.
• Se debe disponer de una fuente de excitación en MT, así como de elevada potencia.
• Requiere de protecciones, equipos e instrumental adicionales por excitación en MT.
• Se deben establecer condiciones de trabajo exigentes, por la seguridad requerida ante la excitación con elevada tensión y potencia.

ELCID es un procesador de señales, analógico-digital, utilizado para detectar imperfecciones magnéticas en los núcleos del estator y rotor de máquinas eléctricas rotativas.

Mediante un juego de bobinas de Chattock (también conocido como potenciómetro o tensiómetro magnético), calibradas y ajustadas específicamente a cada una de las máquinas en estudio, se recorren todas las ranuras, dando una traza proporcional al perfil magnético en las coordenadas (x) e (y), las cuales son registradas para su posterior análisis.

Mediante un bobinado auxiliar de excitación se hace circular por el estator de la máquina una corriente de magnetización del orden del 4% de 1 T, por lo que la fuente de alimentación requerida será de BT (380 V / 220 V).

Esta corriente de excitación crea el flujo directo de magnetización en la muestra, el cual se encuentra en fase con la misma.

Si el núcleo de la muestra bajo estudio, tiene un cortocircuito magnético localizado en un punto, se establecerá la circulación de una corriente que se opondrá en cuadratura a la corriente del flujo directo, y ésta será la que discriminará y medirá el equipo ELCID.

La principal ventaja que presenta esta tecnología es que sólo requiere disponer de una fuente de alimentación en BT, de unos pocos kVA, además de que insume un menor tiempo de implementación para los estudios.

Si bien a una excitación del 4 % de la inducción nominal, no es posible sensar los incrementos de temperatura, ya que la energía calórica generada posee un bajo nivel para ser detectada, sí será posible sensar el campo electromagnético asociado a la corriente que circula entre las chapas. De hecho, ELCID posee una sensibilidad que le permite medir corrientes de fallas en el orden del mA.

En comparación con los ensayos magnéticos clásicos, realizados a través del Flux Test, el riesgo de producir una falla en el núcleo, es muchísimo menor.
Además, es mucho más sensible para ubicar los cortocircuitos, pudiéndose evaluar la importancia del mismo en el sentido de que detecta los defectos en profundidad y en la superficie de los dientes, sin necesidad de extraer los bobinados.

Para una mejor ilustración del tamaño de la fuente que se necesita, decimos que la máquina más grande que tenemos en la Argentina, del orden de 800 MVA, 22 kV, 1500 rpm, sólo necesita algo menos de 4 kVA para crear el flujo de ensayo al 4 % de 1 T.

Si deseamos estudiar la misma máquina, con el método clásico de Flux Test, necesitamos excitarla con valores de inducción en el orden del 80 % de 1 T, por lo que se requiere disponer de una fuente de varios MVA de potencia.

Otra de las desventajas que se nos presenta en el Flux Test, es que no podemos detectar los cortocircuitos magnéticos en profundidad, a menos que mantengamos excitada la máquina durante un tiempo prolongado (superior a la media hora), con el consecuente riesgo que esta operación lleva.

La principal desventaja de ELCID se encuentra en que si el NME posee muchos cortocircuitos magnéticos localizados en una cierta zona, el método electromagnético no es el más adecuado para estos estudios, y por lo tanto se se deberá recurrir al Flux Test para su evaluación.

Este problema tiene su causa en la influencia electromagnética que existe entre dos o más cortocircuitos interlaminares, los cuales provocan que la corriente en cuadratura de uno de ellos, influya en la corriente en cuadratura del otro, anulándola o reforzándola, dependiendo de su ubicación.

A continuación haremos una breve descripción de los principios teóricos sobre los cuales se sustenta la tecnología ELCID.

En la Figura 3 podemos observar parte de la estructura del NME, junto a una falla superficial y su corriente interlaminar asociada (If) y la disposición de la bobina de Chattock.

La bobina de Chattock es el dispositivo sensor de ELCID, la cual se conforma de un núcleo de aire, junto a un arrollamiento no deformable, sustentada sobre un soporte de sección uniforme en forma de “U”, hecho de material no magnético, pero sí flexible.

La teoría de operación de ELCID está basada en la 1ra Ecuación de Maxwell o Ley de Ampere, la cual se expresa en notación vectorial de la siguiente forma:

∇ × H = J = Jc + Jd = Jc + ∂ D/∂ t ≈ Jc

Aplicando el teorema de Stokes obtenemos la expresión integral de la Ley de Ampere:

∮H . dl = S∫Jc . dS = if

La circulación de H sobre un camino cerrado nos determina que la caída del potencial magnético sobre el aire establezca la corriente de falla, ya que la permeabilidad magnética del material ferromagnético es mucho mayor, comparada con la del aire. Por lo tanto:

∮ H . dl = (A,B)∫ H . dl = UmA,B = if

Teniendo en cuenta las características de la bobina de Chattock, y desarrollando la expresión vectorial de la circulación de la intensidad magnética, se puede demostrar que el flujo magnético total, concatenado por la bobina será:

Φ = μ0 . n . S . if

μ0 = permeabilidad magnética del vacío.
n = número de vueltas específico de la bobina.
S = sección transversal uniforme de la bobina.

La tensión en bornes de la bobina, en valor instantáneo:

vb = – dΦ /dt = – μ0 . n . S . dif/dt

Teniendo en cuenta que la corriente de falla tiene una variación senoidal en el tiempo, con una pulsación angular de “ω“, podemos expresar la tensión en bornes de la bobina en función de los valores eficaces:

Vb = μ0 . ω . n . S . If

Por lo tanto la respuesta de la bobina será directamente proporcional al valor eficaz de la corriente de falla, no dependiendo de la forma que adopte el camino cerrado de circulación.

La experiencia acumulada durante la implementación de los ensayos ELCID y Flux Test, nos ha demostrado que ninguno de los dos métodos puede predecir, con el máximo de rigor técnico, lo que ocurre térmicamente en una máquina rotativa en operación.
Por lo tanto, para poder realizar un diagnóstico certero del estado del NME, se deberá tener muy en cuenta los niveles de corriente de fallas medidas con ELCID y una inspección visual adecuada, en esas zonas.
Sabemos claramente que si medimos corrientes en cuadratura con valores mayores a 700 mA, debemos intervenir la máquina, y con corrientes mayores a 300 mA se debe observar el comportamiento de la misma, en un período de tiempo que no supere los 6 meses de operación, para determinar así la evolución de las zonas afectadas.
En la Figura 4 se muestra el registro de la corriente en cuadratura sobre una ranura que no posee fallas interlaminares a lo largo de su extensión, y en la Figura 5 se observa la característica de una ranura, para la misma máquina, con falla interlaminar, cuyo valor máximo no supera los 200 mA en valor absoluto.

Investigaciones hechas al respecto por ADWEL en Inglaterra, han demostrado que de los estudios comparativos se puede obtener como conclusión que el ELCID tiene mayor efectividad que los ensayos térmicos a lo largo de las observaciones efectuadas.
Esta es la razón fundamental por la que se debe realizar un ensayo temprano con ELCID, o cuando se adquiere una máquina nueva, para luego compararla a lo largo de los años en operación.

Mediciones Alser ha ensayado y estudiado alrededor de 100 máquinas rotativas con el rotor no instalado, de las cuales el 60 % de ellas eran Turbogeneradores de 13,2 kV a 22 kV, en potencias de 10 MVA a 500 MVA, un 20 % correspondiente a Motores Asincrónicos con tensiones nominales de 6,6 kV y 13,2 kV, en potencias de 40 kVA a 10 MVA y finalmente un 20 % de Hidrogeneradores de 13,2 kV a 16 kV, en el rango de potencias de 5 MVA a 450 MVA.

A continuación hemos seleccionado tres casos, atendiendo a cada una de las clases de máquinas citadas.

Un turbogenerador de 400 MVA sufrió en 1997 una avería en el núcleo del estator producida por la caída del rotor durante su extracción.
Como se contaba con un estudio de ELCID -del año 1995-, se pudo determinar, por análisis comparativo, claramente la zona dañada y la profundidad de la avería.
Se hizo la reparación usando un ácido orgánico y monitoreándolo con ELCID durante 4 horas.
Terminada la reparación, se volvieron a monitorear las ranuras dañadas y las adyacentes, observándose que las corrientes de cortocircuito medidas previamente, a valores superiores a los 900 mA, se redujeron a valores menores de 200 mA.
El fabricante de la máquina, que además realizó la reparación, solicitó que también se le hiciera el ensayo de Flux Test a la zona dañada.
Prácticamente el daño había desaparecido y coincidía con la zona estudiada por ELCID.
En el año 2001, la máquina fue rebobinada e iba a aprovecharse mejorar la reparación hecha en 1997.
Se repitió el ensayo con ELCID y se observó el mismo perfil magnético relevado después de la reparación, por lo que el fabricante decidió no seguir reparando la zona dañada.

Un hidrogenerador de 450 MVA, durante la construcción del núcleo in-situ en el año 1999, fue mal armado, detectándose con ELCID una zona muy extendida del núcleo del estator con cortocircuitos magnéticos.
Se decidió su reparación por ataque ácido.
A lo largo de una semana se monitoreó el núcleo, durante la reparación, en donde se pudo finalmente reducir los valores de la corriente en cuadratura, con valores medidos previamente superiores a 1 A, a valores cercanos a los 300 mA.
Este hidrogenerador, que ya fue inspeccionado dos veces sin presentar problemas.

Un motor asincrónico de 3,2 kV, 400 kVA, fue dos veces rebobinado en el año 2002, como consecuencia de manifestar elevado calentamiento en el núcleo del estator.
Se efectuó un estudio con ELCID y se determinaron zonas con corrientes en cuadratura del orden de 900 mA.
Se le efectuó la reparación del núcleo, mecánicamente, con el mismo personal de mantenimiento de la Central y monitoreado con ELCID, hasta obtener finalmente una corriente en cuadratura de 220 mA en las zonas dañadas.
La máquina está en servicio hasta la fecha, sin presentar dificultades.

[1] ASTM A976-1997 – Standard Classification of Insulating Coatings by Composition, Relative Insulating Ability and Application.
[2] IEEE Std 432-1992 – IEEE Guide for Insulation Maintenance for Rotating Electric Machinery (5 HP to less than 10000 HP).
[3] Adwel Industries Ltd., “Manual del Usuario de ELCID”, Junio de 1992.
[4] Sutton J., “History of EL CID and Fundamentals”, Adwel Industries Ltd, 1994.
[5] Ridley G. K., “Conducting an EL CID test on a hydrogenerator”, Hydropower and Dams, Vol 1, Noviembre de 1994.
[6] Klempner G., “Experience and benefit of using ELCID for turbine-generators”, Electric Power Research Institute, Noviembre de 1995.
[7] Moliton A., “Basic Electromagnetism and Materials”, Springer, 2007.

Electromecánica Kolocsar S.A. agradece la colaboración del Ing. José G. Mazzola (Mediciones Alser S.R.L.)

Garcia Ramiro
Departamento Técnico