Medición de la resistencia de aislamieto

El conjunto de instalaciones y equipos eléctricos respeta unas características de aislamiento para permitir su funcionamiento con toda seguridad. Ya sea a nivel de los cables de conexión, de los dispositivos de seccionamiento y de protección o a nivel de los motores y generadores, el aislamiento de los conductores eléctricos se lleva a cabo mediante materiales que presentan una fuerte resistencia eléctrica para limitar al máximo la circulación de corrientes fuera de los conductores.

La calidad de estos aislamientos se ve alterada al cabo de los años por las exigencias a las que se someten los equipos. Esta alteración provoca una reducción de la resistividad eléctrica de los aislantes que a su vez da lugar a un aumento de las corrientes de fuga que pueden provocar incidentes cuya gravedad puede tener consecuencias serias tanto para la seguridad de personas y bienes como en los costes por paradas de producción en la industria.

Aparte de las mediciones tomadas durante la puesta en funcionamiento de elementos nuevos o renovados, el control periódico del aislamiento de las instalaciones y equipos eléctricos permite evitar dichos accidentes mediante el mantenimiento preventivo. Éste permite detectar el envejecimiento y la degradación prematura de las características de aislamiento antes de que alcancen un nivel suficiente para provocar los incidentes mencionados anteriormente.

Llegados a este punto, conviene diferenciar entre dos tipos de medición que se confunden a menudo: la prueba dieléctrica y la medición de la resistencia del aislamiento.

La prueba de rigidez dieléctrica, también conocida comúnmente como « prueba de perforación » mide la capacidad de un aislante de aguantar una sobretensión de duración media sin que se produzca una descarga disruptiva. En una situación real, esta sobretensión puede deberse a un rayo o a la inducción generada por un defecto en una línea de transporte de energía. El objetivo principal de esta prueba es garantizar que se respeten las normas de construcción relativas a las líneas de fuga y a las distancias de aislamiento. La prueba se suele realizar aplicando tensión alterna, pero se puede realizar igualmente con tensión continua. El instrumento necesario para este tipo de medición es un dielectrómetro. El resultado obtenido es un valor de tensión normalmente expresado en kilovoltios (kV). La prueba de rigidez dieléctrica tiene un carácter más o menos destructivo en caso de defecto, según los niveles de las pruebas y la energía disponible en el aparato. Por esta razón se limita a los ensayos de tipo en equipos nuevos o renovados.

Por su parte, la medición de la resistencia del aislamiento no es destructiva en las condiciones de prueba normales. Se lleva a cabo aplicando una tensión continua de magnitud inferior a la de la prueba dieléctrica y da un resultado expresado en kW, MW, GW incluso TW. Esta resistencia expresa la calidad del aislamiento entre dos elementos conductores. Su naturaleza no destructiva (puesto que la energía es limitada) hace que esta prueba sea especialmente interesante para el seguimiento del envejecimiento de los aislantes durante el período de explotación de un equipo o de una instalación eléctrica. Esta medición se lleva a cabo mediante un comprobador de aislamiento llamado también megaóhmetro.

Aislamiento y causas de fallo del aislamiento

La medición del aislamiento mediante un megaóhmetro es parte de una política de mantenimiento preventivo, y es necesario comprender las diferentes causas posibles de degradación del rendimiento del aislamiento, para poder llevar a cabo la implantación de medidas para corregir la degradación.

Estas causas de fallo del asilamiento se pueden clasificar en cinco grupos, siempre teniendo en cuenta que estas distintas causas se suman entre ellas en ausencia de medidas correctivas para dar lugar a los incidentes anteriormente citados

1. La fatiga de origen eléctrico: Relacionada principalmente con fenómenos de sobretensión y caídas de tensión.
2.  La fatiga de origen mecánico: Los ciclos de puesta en marcha y paro, sobre todo si son frecuentes, los defectos de equilibrado de máquinas rotativas y todos los golpes directos contra los cables y, de forma más general, contra las instalacion.
3.  La fatiga de origen químico: La proximidad de productos químicos, de aceites, de vapores corrosivos y de modo general, el polvo, afectan el rendimiento del aislamiento de los materiales.
4. La fatiga relacionada con los cambios de temperatura: En combinación con la fatiga mecánica provocada por los ciclos de puesta en marcha y parada de los equipos, las exigencias de la dilatación o contracción afectan las características de los materiales aislantes. El funcionamiento a temperaturas extremas es también un factor de envejecimiento de los materiales.
5.  La contaminación ambiente: La aparición de moho y la acumulación de partículas en entornos húmedos y calurosos provocan también la degradación de las características de aislamiento de las instalaciones.

El siguiente gráfico muestra la distribución de las causas más comunes de fallo en el caso de un motor eléctrico.

Causas de fallas en motores eléctricos

Origen de contaminación externa

Aparte de los fallos súbitos del aislamiento relacionados con acontecimientos excepcionales como por ejemplo inundaciones, el conjunto de estos factores de degradación de las características del aislamiento se combinará desde la puesta en funcionamiento de la instalación, ampliándose a veces mutuamente, y debido a la falta de control creará a largo plazo situaciones que pueden resultar críticas tanto desde el punto de vista de la seguridad de las personas como desde el punto de vista del funcionamiento. El control periódico del aislamiento de una instalación o de un equipo permite así vigilar esta degradación e intervenir antes del fallo total.

Principio de la medición del aislamiento y factores de influencia

La medición de la resistencia se basa en la ley de Ohm. Al aplicar una tensión continua con un valor conocido e inferior al de la prueba dieléctrica y a continuación medir la corriente en circulación, es posible determinar fácilmente el valor de la resistencia. Por principio, la resistencia del aislamiento presenta un valor muy elevado pero no infinito, por lo tanto, mediante la medición de la débil corriente en circulación el megaóhmetro indica el valor de la resistencia del aislamiento con un resultado en kW, MW, GW, incluso en TW en algunos modelos. Esta resistencia muestra la calidad del aislamiento entre dos elementos conductores y proporciona una buena indicación sobre los riesgos de circulación de corrientes de fuga.

Existe un cierto número de factores que afectan el valor de la resistencia del aislamiento, así pues el valor de la corriente que circula cuando se aplica una tensión constante al circuito durante la prueba puede variar. Estos factores, por ejemplo la temperatura o la humedad, pueden modificar considerablemente la medición. Analicemos primero partiendo de la hipótesis de que estos factores no influyan la medición, la naturaleza de las corrientes que circulan durante una medición del aislamiento.

La corriente total que circula en el cuerpo del aislante es la suma de tres componentes:

1. La corriente de carga capacitiva, correspondiente a la carga de la capacidad del aislamiento probado. Esta corriente es transitoria, relativamente elevada al principio, y disminuye exponencialmente hacia un valor cercano a cero una vez el circuito probado está cargado eléctricamente (de forma similar a la carga de una capacidad). Al cabo de unos segundos o de unas decenas de segundos, esta corriente resulta inapreciable comparada con la corriente que se mide.
2. La corriente de absorción corresponde a la aportación de energía necesaria para que las moléculas del aislante se reorienten bajo el efecto del campo eléctrico aplicado. Esta corriente decrece mucho más lentamente que la corriente de carga capacitiva y requiere más minutos para alcanzar un valor próximo a cero.
3. Corriente de fuga o corriente de conducción. Esta corriente indica la calidad del aislamiento, es estable en el tiempo.

El gráfico siguiente ilustra la naturaleza de estas tres corrientes en función del tiempo (cabe señalar que la escala de tiempo es orientativa y puede variar según el aislamiento que se está probando).

Respuesta de la corriente en función del tiempo

Seguridad de los ensayos

Antes del ensayo:

1. El ensayo debe efectuarse en una instalación SIN TENSIÓN y desconectada para asegurarse de que la tensión de ensayo no se aplicará a otros equipos que podrían estar conectados eléctricamente al circuito que se va a probar.
2. Asegurarse de que el circuito está descargado. La descarga puede efectuarse realizando un cortocircuito y/o uniendo a la tierra los terminales del equipo durante un tiempo suficiente (véase tiempo de descarga).
3. Se debe observar una protección especial cuando el dispositivo a probar se encuentra localizado en un entorno inflamable o explosivo, ya que podrían producirse chispas durante la descarga del aislante (antes y después de la prueba) pero también durante la prueba en caso de aislamiento defectuoso.
4. Debido a la presencia de tensiones continuas que pueden ser altas, se recomienda reducir al máximo el acceso al personal y llevar equipamiento de protección individual especialmente guantes de protección eléctrica.
5. Se deben utilizar cables de conexión apropiados para la prueba a realizar y asegurarse de su perfecto estado. En el mejor de los casos, cables inapropiados inducirán a errores de medición pero sobre todo pueden resultar peligrosos.

Prueba de aislamiento de corto duración

Esta prueba, conocida también como "prueba de aislamiento SPOT", es la prueba de resistencia de aislamiento más simple, durante ésta el voltaje de salida del aparato probado se eleva hasta el valor deseado, y a un tiempo determinado se toma la lectura de resistencia de aislamiento. Las niveles de voltajes de prueba recomendados se dan en la tabla siguiente:

Para obtener el valor de la resistencia, es práctica común que la prueba de resistencia de aislamiento spot se desarrolle por un tiempo de 60 seg. La prueba spot se usa cuando se desea obtener una evaluación rápida de referencia de las condiciones de un motor, las lecturas se deben tomar:

-          Entre cada fase del motor y tierra.

-       Entre las tres fases unidas temporalmente contra tierra. 

Medición de resistencia de aislamiento

Para motores hasta 460 V de tensión nominal, el valor mínimo aceptable es de 1 Megohm. También se establece que no debe ser menor de 1 Megohm del valor obtenido con la expresión:

Por ejemplo, si se desea probar un motor de 200 HP a 480 Volts, trifásicos, el valor de resistencia de aislamiento mínimo obtenido con la expresión anterior sería: 

Determinación del índice de polarización (IP)

La prueba de índice de polarización se puede usar para obtener una indicación inmediata de la condición del aislamiento del motor. Cuyos valores no están afectados por variaciones de temperatura.

Para desarrollar la prueba se toma una lectura de la prueba de resistencia de aislamiento a I minuto, y una segunda lectura después de 10 minutos. El índice de polarización es el valor obtenido de dividir la segunda lectura entre la primera, es decir: 

En general, un valor elevado del IP indica que el aislamiento se encuentra en buenas condiciones. Un valor de IP menor que la unidad (menor que 1) indica que se debe tomar una acción correctiva en forma inmediata. En la siguiente tabla se observa la condición del motor según los resultados de la relación:

Frecuentemente, una lectura de valor bajo indica que el aislamiento está sucio o húmedo. La limpieza y/o secado generalmente restauran el IP a valores aceptables. Conviene tener en mente que los valores de IP sobre un mismo motor son relativos. Si por ejemplo, para un motor en particular se han tenido valores bajos de IP durante un cierto número de años, que ni limpiando, secando y checando se han logrado cambios en el IP, se debe suponer que esto es normal para este motor en particular.

Medición de la resistencia de aislamiento en motores eléctricos 

Cuando no es puesto inmediatamente en operación, el motor debe ser protegido contra humedad, temperatura elevada y suciedad, evitando así que la resistencia de aislamiento sea afectada. 

La resistencia de aislamiento del devanado debe ser medida antes de poner el motor en operación. Si el ambiente es muy húmedo, la resistencia de aislamiento debe ser medida en intervalos periódicos, durante el almacenamiento. Es difícil establecer reglas fijas para el valor real de la resistencia de aislamiento de los devanados, una vez que ésta varía según las condiciones ambientales (temperatura, humedad), condiciones de limpieza del motor (polvo, aceite, grasa, suciedad) , así como con la calidad y condiciones del material aislante utilizado. 

La evaluación de los registros periódicos de seguimiento es útil para concluir si el motor está apto para operar. 

La resistencia de aislamiento debe ser medida con un megóhmetro. La tensión de la prueba para los devanados de los motores debe ser conforme a la siguiente tabla:

Antes de realizar la medición de la resistencia de aislamiento en el devanado del estator:

·         Desenchufar todas las conexiones con los terminales de estator,

·         Poner a tierra la carcasa del motor;

·         Medir la temperatura de devanado;

·         Verificar la humedad.

La medición de la resistencia de aislamiento de los devanados del estator debe ser hecha en la caja de conexión principal

El medidor (megóhmetro) debe ser conectado entre la carcasa del motor y el devanado.

La carcasa debe ser puesta a tierra y las tres fases del devanado del estator deben permanecer conectadas al punto neutro, conforme a la siguiente figura:

Conexión de megómetro

Cuando sea posible, cada fase debe ser aislada y probada separadamente. La prueba separada permite la comparación entre las fases. Cuando una fase es probada, las otras dos fases deben ser puestas a tierra en la misma puesta a tierra de la carcasa, conforme a la siguiente figura:

Conexión de megómetro en fases separadas

Si la medición total del devanado presenta un valor por debajo del recomendado, las conexiones del neutro deben ser abiertas y la resistencia de aislamiento de cada fase debe ser medida separadamente. 

Realizadas las mediciones se puede obtener resultados de la condición de las máquinas comparando con los valores de la tabla a continuación:

Límites orientativos de la resistencia de aislamiento en máquinas eléctricas

Conversión de los valores medidos

La resistencia de aislamiento debe ser medida a 40 ⁰C. Si la medición es hecha a temperatura diferente, será necesario corregir la lectura para 40 ⁰C, utilizando una curva de variación de la resistencia del aislamiento en función de la temperatura obtenida en el propio motor. Si esta curva no está disponible, puede ser empleada la corrección aproximada suministrada por la curva de la siguiente figura:

Factor de corrección de temperatura para la medición de la resistencia de aislamiento

Para calcular la resistencia con el factor de conversión se utiliza la siguiente fórmula:

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