Análisis del estado del aislamiento basado en la distribución de la corriente y la resistencia en función de la duración de la medición

La medición de la resistencia del aislamiento consiste en medir la corriente que fluye por el material aislante manteniendo la tensión de prueba apropiada para el objeto. La resistencia del aislamiento del material del que se hizo este aislamiento será calculada usando la ley de Ohm. Gracias a la posibilidad de contrastarlo con los valores requeridos, este parámetro es generalmente considerado la última instancia suficiente para evaluar si el estado del aislamiento del objeto es satisfactoria o no.

De todos modos, hay que prestar atención a los fenómenos que ocurren durante la investigación (resultantes de la capacidad y la absorción), especialmente para objetos con capacidades significativas (cables) u objetos como motores o transformadores. Así pues, en tales casos, la observación de los cambios en la resistencia y la corriente de la medición en función del tiempo puede demostrar un peligroso debilitamiento del aislamiento, independientemente de que el resultado de la medición de la resistencia del aislamiento se considere positiva. En este artículo serán presentadas las bases de medición de la resistencia del aislamiento, cálculos de los coeficientes DAR y PI y algunos ejemplos prácticos de su aplicación.

Introducción

Cada material del aislamiento en cierta medida está caracterizado por su capacidad de conducir la corriente eléctrica, así que no hay ningún aislamiento perfecto, completamente no conductivo. Esta propiedad es utilizada para determinar la resistencia de los materiales del aislamiento en dispositivos eléctricos. La inspección del estado técnico de las instalaciones eléctricas, requerida por la normativa de edificación o eléctrica y realizada de conformidad con la norma IEC 60364-6:2016 [1], tiene que incluir la medición de la resistencia del aislamiento de, entre otros, el cableado eléctrico desde cual está constituida la instalación. Asimismo, así es como estas mediciones son generalmente percibidas en el entorno de los electricistas que se ocupan de las mediciones eléctricas. De este modo se determina un cierto estereotipo en cuanto a los aparatos de medida usados en este área. El estereotipo está basado en el hecho de que para medir la resistencia del aislamiento se puede usar cualquier medidor con la tensión de prueba adecuada. Esta afirmación es en principio aceptable, pero únicamente en cuanto a las mediciones de las instalaciones eléctricas mencionadas anteriormente.

Sin embargo, el único problema con el cual hay que enfrentarse es la preparación de una instalación eléctrica para realizar las mediciones. En el caso de las instalaciones eléctricas que están funcionando es un proceso laborioso que requiere mucho esfuerzo y la desconexión de la tensión, recepción y los dispositivos de control (p. ej., actuadores), algo que no siempre resulta posible. De todas maneras, se puede eliminar este inconveniente si se utiliza la posibilidad de cortocircuitar los cables activos durante la medición en circuitos individuales, conforme a lo permitido por la norma IEC 60364-6:2016 p 61.3.3. [1].

La situación es diferente en caso de las mediciones más avanzadas de, por ejemplo, motores eléctricos, transformadores, cables de media tensión o dispositivos que requieren altas tensiones de prueba. Lo fundamental entonces es fijarse en los fenómenos que ocurren durante la medición y los medidores que puedan permitir la correcta realización de la prueba.

Corriente de carga de capacidad, corriente de polaridad, corriente de fuga

Figura 1. Un diagrama ilustrativo de las corrientes durante la medición de la resistencia del aislamiento

Figura 1. presenta un diagrama ilustrativo de las corrientes en función del tiempo. Al aplicar la tensión de prueba al circuito medido, la corriente inducida por la capacidad es la más grande y después de cargar la capacidad desaparece mucho más rápido que la corriente de absorción, que también se disipara, algo que a estos efectos resulta de la capacidad del material de almacenar la carga. Sólo cuando estos fenómenos hayan cesado se puede leer el resultado de la resistencia del aislamiento. Hay que señalar que los cambios en el resultado del dispositivo de medición causados por estas corrientes en realidad no significan cambios en la resistencia del aislamiento, sino que son un mero resultado del proceso de medición.

La realización de pruebas rutinarias se limita en principio a la lectura del valor de resistencia de aislamiento medido después de que el resultado se ha estabilizado. De todos modos, al observar este proceso durante cierto tiempo se obtiene una herramienta de diagnóstico muy relevante y de gran utilidad. La razón es porque se puede producir un fallo de aislamiento, que descalificará el objeto probado a pesar de cumplir con el criterio de resistencia admisible. Normalmente, se producen casos de este tipo cuando se producen averías puntuales e incompletas en el aislamiento durante la reparación de, por ejemplo, un motor. Esto se aplica no sólo para los rebobinados de motores, sino también a las reparaciones de tipo mecánico, p. ej., la sustitución de rodamientos (la colocación de la aleta del motor puede perjudicar el aislamiento de la cara del bobinado). La correcta utilización de la información procedente del proceso de inspección puede protegernos de una decisión falsa sobre el pleno rendimiento del objeto examinado.

El coeficiente DAR y PI

Al medir un buen aislamiento, sin daños ni amortiguación, hay que esperar que las indicaciones del medidor aumenten con el tiempo, a consecuencia del cambio en la corriente total, mostrado en la Figura 2. Los coeficientes específicos del proceso de medición se calculan basado en los intervalos de tiempo: DAR (dielectric absorption ratio) y PI (polarisation index).

Evidentemente, un aumento en las indicaciones del medidor causa que los coeficientes mencionados tomarán valores mayores a 1, lógicamente para un buen aislamiento.

El coeficiente de absorción dieléctrica (DAR) es la relación entre el resultado de la medición de MΩ en 1 minuto y el resultado en MΩ después de 30 segundos. Una vez que la corriente de fuga medida consigue estabilizarse en 1 minuto, normalmente la prueba ya no se utiliza para determinar el coeficiente PI, puesto que la relación de los valores medidos se situará aproximadamente a 1. Según la fórmula, el coeficiente PI es, correspondientemente, el resultado en MΩ después de 10 minutos frente al resultado en MΩ después de 1 minuto.

La Tabla 1 muestra los valores de DAR y PI que se indican comúnmente en la literatura y en los manuales de los fabricantes de aparatos medidores para la evaluación del estado de aislamiento.

Tabla 1. Valores de coeficientes DAR y PI

Número ordinal	DAR	PI	El estado del aislamiento
1.	<1,2	1 - 2	Impreciso, cuestionable
2.	1,2 – 1,6	2 - 4	Bueno
3.	>1,6	>4	Excelente

Ambos coeficientes no deberían presentar valores inferiores a 1, puesto que las indicaciones de resistencia de aislamiento durante la medición no pueden disminuir.

Asimismo, se debe tener en cuenta que los cambios en las corrientes a altos valores de resistencia de aislamiento pueden ser muy pequeños, de unos pocos o varios nA. En consecuencia, la norma IEEE 43-2013 [2] estipula lo siguiente:

"Cuando la indicación de resistencia de aislamiento R_iso obtenida después de aplicar la tensión durante 1 minuto es mayor que 5 000 MΩ, en función de la intensidad de la tensión continua aplicada, la corriente medida total (I total) puede caber en el rango de los submicroamperios. Con este nivel de precisión exigido del instrumento de medición, los pequeños cambios en la tensión de alimentación, la humedad ambiental, las conexiones de prueba y otros componentes independientes pueden perjudicar significativamente la corriente total medida un intervalo de 1 a 10 minutos requerido para la prueba PI. Como consecuencia de estos fenómenos, cuando R_iso es mayor que 5 000 MΩ, el PI puede tanto reflejar como no reflejar el estado adecuado de aislamiento y, como tal, no es recomendado como una herramienta de evaluación."

En conclusión, en caso de motores con corriente de absorción cero o muy baja, en cuales la corriente de fuga total alcanza un valor estable en 1 minuto, los valores de PI son cercanos o iguales a 1. A este respecto, el PI no es una herramienta de evaluación eficaz. Esto es frecuente en los aparatos rotativos con bobinado aleatorio.

Cuando se determinan los coeficientes, no es necesario hacer correcciones de temperatura, puesto que tanto el DAR como el PI son proporciones, entonces si la prueba es realizada en todo el rango en condiciones constantes, esto resulta comprensible. Es aconsejable que los motores con valores de resistencia de aislamiento bajos no se sometan a mediciones con una tensión de prueba superior a la recomendada. Ya que, frecuentemente, se puede encontrar aparatos para los que no hay requisitos en las normas polacas en cuanto al valor de la resistencia de aislamiento. En este tipo de situaciones, se puede usar la norma ANSI/NETA MTS-2011 (Tabla 2.) [3]. 

Tabla 2. Tensión de prueba y valores mínimos de resistencia de aislamiento exigidos según la tensión nominal del objeto bajo prueba

Potencia Nominal del Equipo (Voltios)	Tensión Mínima de Prueba (CC)	Recomendada Resistencia Mínima de Aislamiento (Mega ohmios)
250	500	25
600	1 000	100
1 000	1 000	100
2 500	1 000	500
5 000	2 500	1 000
8 000	2 500	2 000
15 000	2 500	5 000
25 000	5 000	20 000
34,500 y superiores	15 000	100 000

Un ejemplo práctico

Con el fin de examinar la resistencia del aislamiento y los coeficientes DAR y PI, una de las empresas dedicadas a reparar motores puso a disposición un estátor de motor seleccionado al azar después del rebobinado. Para realizar las mediciones se utilizó el medidor Sonel MIC-10k1 que permite crear diagramas con formas de onda de corriente y tensión en función del tiempo.

Figura 2. El resultado de la medición en el medidor IMI y el estátor del motor probado 40 kW/ 400V

El estátor probado del motor de 40kW/400V fue bobinado y renovado. Una vez calentado y enfriado, se procedió a su medición. El medidor IMI señaló una superación del rango que ocurrió a una tensión de prueba 500 V (>300 MΩ). Las mediciones efectuadas utilizando el medidor Sonel MIC-10k1 con un rango de medición más alto mostraron el valor de resistencia de aislamiento de 430 MΩ. A pesar de todo, el coeficiente DAR alcanzó el valor de 1,2. Esto causó una duda razonable en cuanto al estado de aislamiento aunque el resultado que ha superó el umbral requerido muchas veces (5 MΩ o ANSI NETA 25 MΩ). Como el estátor fue equipado con nuevos aislantes de conexión de porcelana, y también fue calentado y secado, se excluyó la influencia de la posible humedad. En estas circunstancias parecen interesantes las formas de onda de la corriente y la resistencia durante la medición.

Figura 3. Diagrama de corriente y resistencia. Anomalías aparentes

Aproximadamente después de cuarenta segundos ocurre un aumento drástico de la resistencia de aislamiento, después del cual casi inmediatamente la resistencia disminuye y este proceso se repite. Por las razones mencionadas, fueron excluidos los factores externos de interferencia. Había que buscar el problema, por lo tanto, en el propio aislamiento dispuesto en los bobinados del estátor.

Una exhaustiva inspección ocular no condujo a la determinación de la causa. Esto solo fue posible gracias a la eliminación sucesiva de los bobinados. En este caso, el problema consistía en un separador de prespan que estaba agrietado. En el momento de colocar los bobinados en las ranuras del estátor, el cable de bobinado se interpuso entre el prespan y la ranura y se quedó apoyado directamente en la ranura, tocando el estátor que no tenía el aislamiento de prespan. El alambre de bobinado está esmaltado, por eso las indicaciones observadas fueron el resultado del flujo de corriente en el punto de contacto del alambre de bobinado con el estátor. Si se arranca el motor en estas condiciones no cabe duda de que se producirían averías en el motor. El estátor fue rebobinado de nuevo.

Figura 4. El diagrama de corriente y resistencia después del rebobinado El diagrama correcto

Como se puede observar en la Figura 4, el rebobinado correcto permitió lograr una resistencia de aislamiento de 12 GΩ (anteriormente de 430 MΩ), manteniendo un aumento constante y correcto de la resistencia durante la medición, que también quedó visible por el coeficiente DAR = 2.

Como conclusión, el ejemplo mostrado indica la efectividad del método al detectar daños en el aislamiento por medio del coeficiente DAR y la forma del diagrama. La empresa en la que se realizaron las pruebas, después de haber diagnosticado este caso, introdujo procedimientos completos de control y medición para los motores reparados, cambió la forma de recortar el prespan y equipó el taller con el instrumental de medición adecuado. Desde entonces, un caso similar no se ha repetido en esta empresa. No obstante, en varias ocasiones se han detectado roturas del aislamiento después de la realización de reparaciones mecánicas (p. ej., sustitución de rodamientos).

Figura 5. Daños a la envoltura aislante debido a un corte con una tapa

De este modo, teniendo en cuenta los efectos del tiempo de inactividad, los cuales -aunque en cantidades reducidas- se pueden evitar al fin y al cabo, realizar una prueba completa sí parece particularmente justificado, no sólo con respecto a la resistencia de aislamiento. En comparación con la escala de daño que un objeto con un defecto latente puede causar, los costes de comprar un medidor adecuado son pequeños y, sin duda, aceptables.

La información contenida en este artículo es sólo una indicación del tema con el objetivo de ampliar la perspectiva y aconsejar a evitar la rutina durante las pruebas de resistencia de aislamiento de dispositivos eléctricos. Tales conocimientos deben fomentar la investigación de las causas de los fenómenos que ocurren durante las mediciones y el uso práctico de ellos para evaluar el estado de aislamiento de los objetos examinados. En el anexo 1 se incluye un ejemplo del protocolo de una prueba del motor.

Referencias

[1] Normativa IEC 60364-6:2016 Low voltage electrical installations - Part 6: Verification
[2] IEEE 43-2013 IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Electric Machinery
[3] ANSI/NETA MTS-2011 Standard for Maintenance Testing Specifications for Electrical Power Equipment and Systems
Materiales de SONEL S.A. y propios del autor

 

Roman Domański
SONEL S.A.