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Distancias de las conexiones y las cabezas de bobinas en grandes motores y generadores

  • September 2015
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Richard Huber, P. Eng.
Richard Huber Engineering. Ltd
North Vancouver, BC
Canadá
Miembro del Comité Técnico de Servicios

Introducción
Recientemente trabajé en una máquina nueva de 13.8 kV de tensión nominal, enfriada por aire,   que producía grandes cantidades de ozono y tenía grandes niveles de descargas parciales. El problema básico con  los bobinados de esta máquina era  el espacio incorrecto entre las cabezas de bobina y los cables  de salida principales. También había poco espacio entre las series y las conexiones entre los  grupos del bobinado.

Requerimientos de espacio
El espacio sugerido en este artículo, es solamente una guía y tanto los fabricantes originales de los equipos (OEM), como los centros de servicio, deberán contar con su propia guía  para  esos valores. 

No obstante cabe señalar,  que si se reduce mucho el espacio en relación con el sugerido en este artículo, existe un riesgo real de que ocurra actividad de  descargas parciales en el bobinado. 
Para evitar las descargas parciales en  máquinas con tensiones nominales por arriba de 5 kV,  se debe proporcionar un espacio adecuado entre los conductores  (ver Figuras 1 y 2). Además,  el espacio entre los cables de salida es necesario para evitar el sobre calentamiento de los conductores.

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En las máquinas enfriadas por aire, el espacio necesario para evitar las descargas parciales, varía de acuerdo con el nivel de tensión nominal de la máquina, el espesor del aislamiento del bobinado y la constante dieléctrica del aislamiento. Adicionalmente, los defectos superficiales y la contaminación de los componentes del bobinado, afectarán los requerimientos de espacio. Otros factores, como la temperatura, la humedad y la altitud, también complican el problema.

Afortunadamente a través de  pruebas y mediante la  experiencia, se ha dado tratamiento a las numerosas variables normalizando un espacio de 12 mm (0.5”) en máquinas con tensión nominal de 13.8 kV.

[Es posible que se requiera espacio adicional en máquinas que se encuentran  a más de  1000 m (3300 pies) de altitud.] Este es suficiente espacio para considerar los defectos superficiales, la contaminación y la tensión de operación máxima de la máquina, normalmente 1.05 veces la tensión de placa.

 Un modelo más refinado se presenta en [1] donde han sido incluidas irregularidades específicas en el programa de pruebas de los sistemas de aislamiento de 13.8 kV. El espacio mínimo recomendado que debe existir entre las bobinas adyacentes y los defectos superficiales, como la acumulación de resina, es de 9 mm (0.35”). Esto significa que para defectos de 3 mm (0.12”), el espacio entre los conductores deberá ser de 12 mm (0.5”).

Como se muestra en [1], bajo condiciones normales de temperatura y presión, el voltaje necesario para el inicio de las descargas parciales (PDIV) entre 5 kV y 20 kV,  se puede aproximar linealmente con respecto a la distancia de los electrodos. El espacio necesario para las tensiones que se encuentran dentro de este rango, se puede calcular en proporción al   espacio requerido para 13.8 kV [9 mm (0.35”) más una tolerancia por defectos].

Obviamente, el espacio se puede reducir en los conductores de un bobinado cuando  el voltaje entre ellos es  menor que la tensión nominal. En la práctica, generalmente esto no sucede ya que es más fácil establecer un solo valor de espacio para todos los conductores. Una excepción para esto puede ser la distancia a tierra.

En la zona donde las bobinas salen de la ranura, el espacio entre la bobina superior e   inferior es más reducido. Debido a que en esa zona las bobinas se encuentran cubiertas con un material clasificado para soportar el gradiente de tensión (cinta gradiente) el espacio entre bobinas se puede reducir. No obstante, la “caída” (arco) de la bobina suele ser suficiente, ya que  más allá del final de la cinta gradiente, el espacio sugerido está garantizado.

En los devanados que tienen  bobinas con múltiples espiras (vueltas), puede ser difícil proveer suficiente  espacio entre las conexiones en serie y la cabeza de la bobina adyacente. Esta es una zona  en la que frecuentemente ocurren descargas parciales, cuando bobinas con grandes diferencias de tensión, se encuentran muy cerca la una de la otra. Vea la Figura 3.

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Problemas  causados por  espacio insuficiente
En las máquinas en las que  existe espacio insuficiente  entre los conductores, se espera actividad de descargas parciales. Existen riesgos asociados con la actividad de descargas parciales. Bajo las condiciones adecuadas, las descargas parciales pueden crear ozono. Esta sustancia es perjudicial para la salud y puede dañar algunos de los materiales dentro de la máquina. Si no se vigila la actividad de descargas parciales, esta puede generar un fallo de aislamiento y un posible arco eléctrico. Si la actividad de descargas parciales involucra cables fabricados con materiales sintéticos (normalmente los cables de salida), estos pueden resultar seriamente dañados. Vea la Figura 4.

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Como asegurar el espacio correcto
La obtención del espacio adecuado entre las cabezas de bobina de una máquina nueva debe comenzar con  una  especificación. Las distancias previstas se deben establecer con los fabricantes; para darles la oportunidad de que puedan suministrar un bobinado que cumpla con los requerimientos. Esto inevitablemente conlleva a  sacrificios económicos. En ciertos casos, para obtener el espacio necesario, se requiere un diámetro mayor y/o bobinas axialmente más largas. En algunos casos, es posible que las nuevas bobinas no puedan instalarse en la máquina; además puede ser  necesario modificar la construcción de los soportes de las bobinas. El coste adicional deberá compararse con los riesgos de que ocurran descargas parciales severas en el devanado y con la reducción final de la vida del bobinado.

No obstante, en algunos casos, es cuestión que quien diseña el bobinado tenga en cuenta las leyes físicas fundamentales que se  aplican en las grandes máquinas eléctricas. Por ejemplo, los cables de salida nunca deben estar unidos entre sí, sin que exista espacio entre ellos. Los cables de salida nunca deberán pasar directamente a través de una mampara de acero. El orificio de paso debe ser amplio y revestido con material aislante en la zona de paso de los cables.

En caso de rebobinado, el tamaño de la máquina ya está establecido. Por tanto, lo mejor que podemos hacer es asegurarnos que durante todo el proceso de rebobinado se ha tenido el cuidado de suministrar el espacio necesario donde sea posible y  de no abultar el espesor del aislamiento durante el encintado manual de las conexiones. En algunos casos, para obtener los resultados deseados, la configuración del bobinado podría alterarse levemente.

Para ambos casos, una máquina nueva o rebobinada, siempre es conveniente que el dueño/usuario inspeccione el trabajo a  medida que este avanza, ya que en caso de que existan dificultades, estas se pueden identificar durante  las primeras etapas y es posible tomar las medidas necesarias para solucionar los problemas.

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Un ejemplo de una máquina en la cual se han tenido en cuenta los espacios entre  bobinas, se ilustra en la Figura 5. La distancia entre los grupos de  fase y la zona de las salidas de bobina, se ha  aumentado levemente  y  el espacio entre las conexiones de  serie al principio y al final de los grupos de las fases adyacentes, también ha sido  incrementado.

Soluciones para los problemas existentes
Cuando existan  problemas, el dueño/usuario realmente cuenta con dos opciones para solucionarlos, aumentar el espacio entre los conductores afectados o rellenar la zona con un material que ocupe los espacios de aire.

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En la Figura 6 se muestra  un ejemplo del cambio en la configuración de los cables de salida, en el cual se aumentó la distancia entre los cables. Actualmente, uno de los materiales elegidos con mayor frecuencia  para rellenar los espacios de aire, es el material vulcanizado a temperatura ambiente (RTV). Es importante que el material se aplique con mucho cuidado y minimizando su manipulación, para así reducir la posibilidad de que se formen huecos o paquetes de aire en el material. Un ejemplo de esta aplicación se muestra en la Figura 7.

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Cuando se rellenan los espacios como se ve en la Figura 7, el flujo de aire se obstaculiza. Esto puede afectar el enfriamiento de los bobinados.

Por lo tanto, antes de utilizar esta técnica, se debe considerar el impacto de alterar  los diferentes patrones de flujo de aire.

Referencias
[1] Amyot, Norman et, al., “Large Hydro-Generator Endwinding Clearance Limits for the Inhibition of External PDs,” IEEE Proceedings of the 9th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials, July 19-23, 2009, Harbin, China.

Bibliografía
“ANSI/NEMA MG-1, Motors and Generators”, NEMA, 2011.
“The law of Corona and the Dielectric Strength of air,” Peek, F. W., 28th Annual Convention of the American Institute of Electrical Engineers, Chicago, III., June 26-30, 1911.

DISPONIBLE EN INGLÉS

Tags: Windings
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