ELÉCTRICAS ROTATIVAS.
CAPÍTULO 3 RECUBRIMIENTO CONDUCTOR Y SEMICONDUCTOR DE BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN
3.1.
INTRODUCCIÓN.
En este capítulo se describe la utilidad y el comportamiento de los recubrimientos conductor y semiconductor en las bobinas de media tensión, y la importancia del buen funcionamiento de ambos recubrimientos para evitar problemas en el sistema de aislamiento. También en este capítulo se describe como la termografía infrarroja puede ser utilizada para detectar problemas en el recubrimiento semiconductor.
3.2.
TIPOS DE RECUBRIMIENTOS EN BOBINAS DE MEDIA TENSIÓN
Los recubrimientos conductor y semiconductor en bobinas de media tensión sirven para la atenuación de esfuerzos eléctricos. Estos recubrimientos juegan un papel importante en el sistema de aislamiento ya que previenen la aparición de descargas parciales que pudieran presentarse en las bobinas, específicamente en donde se encuentran intersticios de aire entre ésta y el núcleo del estator y a la salida de las bobinas de la ranura.
Cuando las máquinas rotatorias de media tensión son operadas, por los niveles de tensión que se manejan se genera un campo eléctrico considerablemente alto entre los conductores energizados y los componentes que están a tierra, así como entre conductores a diferentes potenciales. El campo eléctrico es no uniforme en la mayoría de las partes energizadas de la máquina, por lo que, si este campo es lo suficientemente alto, (superior - 3000 V / mm) puede llegar a producir la ionización del aire, es decir una descarga parcial en cavidades o en la superficie de las bobinas. Con el tiempo estas descargas carbonizan a los materiales aislantes produciendo cortos circuitos dentro de la máquina.
Cuando se aplica tensión entre el conductor y la cinta conductora, la discontinuidad en el final de la cinta puede resultar en un alto esfuerzo eléctrico a lo largo de la superficie del aislamiento. Es en esta zona donde se coloca la cinta semiconductora que sirve para controlar el campo eléctrico al final de la cinta conductora.
La cinta conductora ayuda a que no existan separaciones entre la bobina y la ranura del estator a diferentes potenciales, eliminando las posibles bolsas de aire que puedan producir descargas. La pintura o cinta conductora se utiliza solo en la sección de la bobina dentro de la ranura para que su superficie se encuentre al mismo potencial que el núcleo del estator. Este material es típicamente un aglutinante en la forma de una cinta o pintura con grafito.
El recubrimiento semiconductor se diseña dependiendo del nivel de tensión que le será aplicado, encontrándolo en forma de una cinta o pintura, según convenga mejor su aplicación. Sin este material, los campos eléctricos en el final del brazo de la bobina degradarían los aislantes, ocasionando averías al motor, es por eso que se necesita un recubrimiento semiconductor adecuado al nivel de tensión. La función del recubrimiento semiconductor es reducir al máximo el gradiente de campo eléctrico en la zona antes mencionada de la bobina.
En resumen, en las máquinas de media tensión se utilizan dos tipos de recubrimientos para poder reducir o atenuar la intensidad de campo eléctrico.
1. Recubrimiento conductor
2. Recubrimiento Semiconductor
En la figura 3.1 se muestra la sección del final del brazo de la bobina donde son usados los dos tipos de recubrimientos, semiconductor y conductor. En la parte A, se usa pintura conductora o cintas, que están hechas de poliéster tejido y se impregnan con una resina cargada de grafito. En cuanto a la parte B, el recubrimiento semiconductor que es de un compuesto cargado con carburo de silicio, permite un cambio gradual de tensión elevada que se presenta entre el recubrimiento conductor a tierra y la superficie del conductor. Una diferencia marcada entre ambos es que en el recubrimiento conductor la
conductividad ( ) es constante y en el recubrimiento semiconductor la ( ) depende del
campo eléctrico. A continuación se describen con más detalle ambos recubrimientos.
FIGURA3.1. Recubrimiento conductor y semiconductor para el control de campo eléctrico en
3.2.1. RECUBRIMIENTO CONDUCTOR
El recubrimiento conductor en las bobinas de media tensión, es pintura que mantiene la misma tensión entre el estator y la sección del final del brazo de la bobina.
Al encontrar pequeñas bolsas de aire en la ranura del estator y la bobina, la tensión genera la ruptura del aire, esto puede ocasionar el daño tanto de la ranura como en los sistemas de aislamiento de la bobina. La ruptura de las superficies se encuentra altamente relacionada con la humedad y la separación que exista entre la bobina y la ranura, es por eso que se utilizan estas cintas protectoras para que supriman la posibilidad de ruptura en los espacios entre la ranura del estator y la bobina.
Las descargas parciales entre estator y la superficie dentro de la ranura además generan ozono, este ozono es asociado a una cierta toxicidad, por lo que se tendrá que asegurar que la cantidad de ozono se mantenga en cantidades aceptables para prevenir problemas de salud con las personas laborando en las cercanías de las máquinas.
Con las cintas conductoras se tiene la dificultad de obtener una resistencia uniforme en la superficie de la bobina, su método de aplicación es tardado y requiere de un tiempo largo de secado.
La pintura conductora debe tener una resistencia específica que permita evitar descargas en las cavidades de aire existentes entre la bobina y las laminaciones del estator pero que no sea tan alta como para cortocircuitar las laminaciones del estator y provoque corrientes eddy en esta zona [6]. Un valor típico de resistencia superficial para este recubrimiento es de entre 102 a 104/cuadro.
3.2.2. RECUBRIMIENTO SEMICONDUCTOR
En los materiales semiconductores, su resistencia depende de la intensidad de campo eléctrico. El valor de la resistencia se ve afectada por varios parámetros que no únicamente incluyen las propiedades del producto sino también el método de medición, la temperatura, el envejecimiento y su procesamiento.
Estos materiales se utilizan sólo en los grandes generadores o motores para controlar el esfuerzo y eliminar las descargas parciales en el aislamiento del estator .
Para eliminar cualquier material que altere el funcionamiento de la cinta semiconductora, en la superficie de la bobina se utilizan cintas protectoras, que por lo general son materiales flexibles que actúan como un escudo de protección.
Los materiales utilizados actualmente pueden variar en su composición ya que a consecuencia de los continuos desgastes a los que se ven expuestos, estas cintas están fabricadas a base de lana de poliéster impregnada con carburo de silicio con una base de resina. La resistencia de la cinta semiconductora es variable según la tensión de aplicación [7].
El diseño de las cintas semiconductoras está en función de la tensión nominal de la máquina, su función es reducir la intensidad de campo en la superficie de la bobina por debajo de la intensidad de campo de ionización del aire.
La longitud de la cinta semiconductora se determina en función de la tensión nominal de la máquina, como se muestra a continuación en la Ecuación 3.1.
EC. 3.1
Por ejemplo. Si la tensión de la máquina es de 11kV con una prueba de voltaje máxima de 23 kV tendremos lo siguiente:
Ejemplo de la Ecuación 3.1
Para tensiones superiores a 13,8 kV, se recomienda aplicar dos capas de cinta sobre el primer 50% del recubrimiento (la más cercana al núcleo de la máquina) [8].