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practicas dce turbo generadores
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CAPITULO 1
SISTEMA AISLANTE DEL ESTATOR
RESUMEN
El sistema aislante es una parte primordial de las máquinas rotatorias de alta tensión, de él
depende en gran medida la continuidad en servicio de estos equipos. Cuando el sistema
aislante falla en una máquina en servicio, su reparación puede durar largos períodos,
ocasionando serios problemas técnicos y económicos para el usuario. En consecuencia,
es es de vital importancia el cuidado de los sistemas aislantes, tanto desde el punto de
vista de fabricación como del mantenimiento.
INTRODUCCION
Es importante revisar algunos aspectos generales de los sistemas aislantes de las
máquinas rotatorias de alta tensión, para llevar a cabo su análisis dieléctrico eficiente. En
este capítulo, se hace una breve descripción de los siguientes conceptos:
Componentes y materiales que integran los sistemas aislantes
Tipos de sistemas aislantes
COMPONENTES DE LOS SISTEMAS AISLANTES
En el sistema aislante del estator, se pueden identificar los siguientes componentes:
Aislamiento entre soleras.
Con la finalidad de poder conformar las bobinas y para minimizar las pérdidas por
corrientes circulantes producidas por el efecto de proximidad, el conductor de las bobinas
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del estator, es subdividido en una serie de subconductores formados por soleras de cobre,
de pequeña sección transversal (ver la Fig. 1).
Las soleras de cobre se encuentran aisladas entre sí, para evitar corrientes circulantes
entre ellas. Se requiere un aislamiento mínimo entre soleras, pues durante la operación
de la máquina, prácticamente todas las soleras se encuentran al mismo potencial. Por lo
tanto, este aislamiento debe ser lo más delgado posible, para aprovechar el espacio de la
ranura (ver la Fig. 1).
El gradiente máximo del aislamiento entre soleras es del orden de 1 V. Los materiales
más comunmente utilizados son el algodón, la fibra de vidrio y dacrón.
Las soleras de cobre tienen sus aristas redondeadas para evitar concentraciones de
campo eléctrico. El radio de curvatura varía de un fabricante a otro de 0.51 a 1.27 mm.
Las bobinas son devanadas en arreglo tipo diamante, tal como se muestra en la Fig. 1. La
posición de las soleras se traspone en la sección de cabezales, para garantizar una mejor
distribución de la corriente.
Aislamiento entre vueltas
Cada bobina está formada por un número de vueltas determinado por sus características
de diseño. Es necesario aislar, dentro del paquete, cada vuelta, con un aislamiento de
acuerdo a los volts por vuelta con que se haya diseñado (aislamiento entre vueltas). Se
tiene una diferencia de potencial reducida entre vueltas. Sin embargo, en condiciones
transitorias, la magnitud de volts/vuelta en algunas bobinas puede incrementarse
considerablemente. Por lo tanto, el aislamiento entre espiras se diseña considerando la
distribución de voltaje en condiciones transitorias (ver la Fig. 1).
El gradiente eléctrico del aislamiento entre vueltas es del orden de 10 a 200 V/vuelta. Se
utiliza algón y fibra de vidrio con papel de mica
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Aislamiento principal
El aislamiento principal es el que aisla el devanado del estator del núcleo de hierro de la
máquina, ver la Fig. 1. Por lo tanto, debe soportar no solo la tensión máxima de trabajo de
la máquina, sino también las sobretensiones que pudieran surgir, los esfuerzos térmicos,
mecánicos y del medio ambiente a los que estará sometido durante su servicio.
La mica es el material aislante fundamentalmente empleado en el aislamiento principal,
sus excelentes características eléctricas, térmicas y químicas no han sido superadas por
ningún otro material. Sin embargo, por sí solo carece de buena rigidez mecánica. Esto
obliga a que las hojuelas quebradizas de la mica, tengan que unirse con otro material de
apoyo, que le dé flexibilidad, para su manejo y que sea estable a la temperatura, tal como
papel, o fibra de vidrio. A su vez, se necesita otro material aglomerante que una la mica
con el material de apoyo, que pegue las diversas capas y rellene pequeñas oquedades, tal
como la goma laca, un compuesto asfáltico o resinas sintéticas. Según se combinen estos
materiales se obtienen diferentes tipos comerciales de sistemas aislantes.
El aislamiento principal esta formado por capas alternadas superpuestas de mica, material
de apoyo y material aglomerante, hasta formar el espesor necesario que pueda soportar
las condiciones de servicio de la máquina.
Pintura conductora
Esta pintura se elabora con grafito. Se aplica en la superficie de la parte recta de las
bobinas, la cual hace contacto con las paredes de la ranura (ver la Fig.1). Su función es
contener el campo eléctrico en las capas aislantes. Con tan solo una zona de la superficie
de las bobinas, que haga contacto con las laminaciones del núcleo, toda la superficie de la
parte recta de las bobinas adquiere el potencial de tierra.
La pinturara tiene una resistencia superficial de 100 a 100,000 ohms por unidad de
superficie. Se usa una alta resistencia con el objeto de no poner en corto circuito las
laminaciones del núcleo.
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La aplicación de la pintura conductora normalmente se extiende sobre la bobina ½ o 1
pulgada fuera del núcleo. El propósito de esto es evitar un rompimiento en el aire entre la
bobina y las laminaciones del núcleo.
En la literatura especializada se recomienda aplicar la pintura conductora en máquinas con
voltaje de operación de 6 kV y mayores.
Pintura graduadora
Al final de la pintura conductora, la superficie de las bobinas pierde su referencia al
potencial de tierra. En consecuencia, existe un cambio abrupto del potencial en la
superficie de las bobinas. Para evitar la concentración de esfuerzos eléctricos, se requiere
un incremento gradual del potencial al inicio de los cabezales, para lo cual se aplica una
pintura graduadora de campo eléctrico.
La pintura se elabora con carburo de silicio. Tiene una resistencia superficial del orden de
109 a 1011 ohms por unidad de superficie y su valor varía inversamente con el voltaje.
Esta última propiedad hace que el producto de su resistencia superficial por la corriente de
fuga del aislamiento (que es el potencial en la superficie de las bobinas), sea mayor a
medida que la superficie cubierta por la pintura graduadora se aleja de la pintura
conductora.
El uso de la pintura graduadora, la longitud de su aplicación y el espesor de la capa
aplicada son parámetros importantes, que se seleccionan de acuerdo al voltaje más alto
que tenga que soportar el aislamiento.
Otro factor importante es la unión de la pintura conductora con la pintura graduadora. Un
traslape de 20 a 25 mm de la pintura graduadora sobre la conductora es utilizado en la
práctica (ver la Fig. 2).
Las pinturas usadas para graduar el campo eléctrico, deben ser capaces de soportar el
voltaje de la prueba de potencial aplicado, sin sufrir daño alguno. La CFE especifica que
cada bobina debe ser probada a 3.5 veces su tensión nominal. Por ejemplo, una bobina
de 13 kV debe soportar un voltaje de 48.3 kV durante un minuto. Esto obliga a que el
diseño de las terminales de la bobina se efectúe en base a la tensión de prueba y no a la
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tensión de trabajo. Es muy importante asegurarse de que la pintura graduadora no se
dañe durante la prueba puesto que se corre el peligro de instalar un elemento debilitado al
generador con lo que puede acortarse su vida útil.
Las pinturas graduadoras tienen un efecto en la capacitancia y en la tangente de pérdidas
de las bobinas. Mientras más corto es el núcleo del generador mayor será el efecto que
las pinturas graduadoras tengan en los valores de capacitancia o de tan .
La parte activa de la bobina, la zona recta que está pintada de pintura conductora,
depende de la longitud del núcleo del generador. La longitud requerida de pintura
graduadora necesaria, depende del voltaje de operación de la máquina.
Con el objeto de compactar al máximo los generadores, algunos fabricantes aplican
pintura semíconductora en todo el cabezal, esta técnica les permite reducir al máximo la
distancia entre bobinas. Otros generadores diseñados de forma distinta, sólo pintan unos
10 a 15 cm al final de la bobina con lo cual consiguen una graduación suficiente de campo
eléctrico Los valores de capacitancia y tan de una bobina o de un devanado completo
dependen de la relación entre la longitud de la pintura conductora a la longitud de la
pintura semiconductora.
Otros fabricantes colocan felpas impreganadas con resina y pintura graduadora, en los
sitios donde la separación entre cabezales de diferente fase, es reducida. Esto evita la
ionización del aire adyacente.
Otros componentes no menos importantes son los siguientes:
Cuñas. Su objetivo es sujetar mecánicamente a las bobinas, para que no se salgan de las
ranuras con los esfuerzos mecánicos de operación. Se fabrican con fibra de vidrio.
Material de relleno. Para garantizar que las bobinas quedan firmemente sujetas dentro de
la ranura, se utilizan componentes tales como el relleno ondulado, que se instala debajo
de las cuñas o el “round packing”, que es una especie de papel cargado con carbón, que
se adhiere a la superficie de la parte recta de las bobinas, utilizando silicón.
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Amarres y separadores en cabezales. El objetivo de estos componentes es fijar
mecánicamente los cabezales. Se utlizan cintas de algodón, cintas de fibra de vidrio con
resina o materiales termocontráctiles.
Aislamiento de uniones soldadas. Algunos fabricantes aislan las uniones soldadas con
el mismo sistema aislante utilizado en la parte recta y cabezales de las bobinas. Otros
utilizan “capuchones” premoldeados elaborados con rensina. Otros utilizan capuchones
de materiales termocontráctiles.
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Fig. 1 Componentes del sistema aislante
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Fig. 2. Traslape de la pintura graduadora sobre la pintura conductora
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Fig. 3 Componentes en la región de cabezales
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SISTEMA AISLANTES
Los sistemas aislantes han evolucionado a través de los años. Se tienen diferentes tipos
de acuerdo a los materiales utilizados. Estos aislamientos adquieren diferentes nombres
comerciales. Siempre se ha utilizado la mica, pero la difencia es que se ha utilizado como
pliegos de papel, como hojuela o como polvo de mica. Como material de soporte se ha
utilizado el algodón, el papel y la cinta de fibra de vidrio. El material principal que ha hido
cambiando es el aglomerante. Se ha utilizado laca, asfalto, resinas polyester y resinas
epóxicas.
En los últimos 30 años, las marcas comerciales de sistemas aislantes son diferentes en
cuanto al proceso de curado. Algunos sistemas se denominan “ricos en resina”. Se
fabrican a base de cintas de mica con fibra de vidrio preimpreganadas con resina. El
proceso de curado se lleva a cabo con temperatura y presión, una vez que las bobinas
han sido encintadas. Otros sistemas se denominan “VPI”. En estos sistemas la
impregnación y el curado de la resina se lleva a cabo bajo presión y vacío. Las bobinas o
todo el estator son sumergidos en inmensos tanques donde se lleva a cabo el proceso
“VPI”.
Las pinturas conductoras y graduadoras, también han evolucionado. Ahora se tienen
cintas conductoras y graduadoras.
En la Tabla 1 se muestra un esquema de la evolución de los sistemas aislantes.
Los efectos de la evolución de los sistemas aislantes se puede resumir de la siguiente
manera:
Los nuevos materiales tienen soportan un gradiente eléctrico mayor (kv/mm). Esto ha
reducido el espesor de las capas aislantes y ha incrementado la tensión de operación
de las máquinas. De 6.6 kV se empezó a generar a 13.8 kV. Posteriormente surgieron
las máquinas de 15 y 20 kV. Actualmente estan desarrollando máquinas que generen
directamente a 115 kV.
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Los nuevos materiales permitieron mayores temperaturas de operación. De la clase B,
se pasó a clase F y ahora se tiene la clase H. También mejoraron los sistemas de
enfriamiento (aire, agua, hidrógeno y sus combinaciones). Esto permitió incrementar la
capacidad de los generadores.
Al tener un menor espesor de aislamiento y un gradiente eléctrico mayor, surgió el problema de fallas por descargas parciales. Por lo tanto, la optimización de los procesos de manufactura adquirió gran importancia, hacia la obtención de aislamientos libres de cavidades internas.
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Tabla 1Evolución de los sistemas aislantes
Aislamiento Año CaracterísticasLaca-mica-folium 1910 Bobinas hechas
directamente en las ranurasAsfalto-mica-folium 1920 Bobinas hechas
directamente en las ranurasAsfalto-micatape 1930 Bobinas encintadas
impregnadas con asfaltoCintas de fibra de vidrio-mica
y resina sintética 1950 Bobinas encintadas
impregnadas con resina polyester y curadas con calor a presión y vacío
Cintas ricas en resina 1960 Bobinas encintadas, impregnadas con resina polyester y curadas con calor a presión y vacío
Aparecen diferentes marcas de cintas
1970 Cintas de hojuela de micaCintas de polvo de micaPreimpreganadas con diferentes mezclas de resinas sintéticas
Aparecen diferentes técnicas de curado
1985 Las bobinas son impregnadas y curadas directamente en el estator
Inician experimentos bobinando cables de energía directamente en las ranuras
1995 ABB anunció que ponía en operación el primer generador
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