Relación entre el aumento de temperatura y la clase de aislamiento

Bryan Snyder 
Electric Power, Caterpillar Inc.

RESUMEN

 Muchos factores influyen en la selección de un generador, lo cual impactará en el costo, el rendimiento y la duración del producto. Dos factores que están directamente relacionados, y a menudo se confunden, son el aumento de temperatura y la Clase de aislamiento del generador. Hacer las suposiciones incorrectas sobre estos factores y su impacto en el rendimiento general del grupo electrógeno puede causar que se usen generadores de mayor tamaño que generan costos desproporcionados en comparación con el valor que brindan.

Para entender mejor estos dos factores, primero revisemos algunos aspectos básicos de la electricidad. Cuando la corriente eléctrica pasa por un cable, las pérdidas, principalmente atribuidas a la resistencia en el cable, generarán calor. La cantidad de calor generado dependerá de la resistencia y de la cantidad de corriente que pasa. La transferencia de este calor a las estructuras circundantes se debe disipar y causará degradación de los materiales adicionales con el tiempo. Definir el índice de degradación y desarrollar una representación estándar es lo que ha llevado al desarrollo de clasificaciones de aislamiento.

CLASIFICACIÓN DEL AISLAMIENTO

La clasificación del aislamiento específicamente se refiere a la resistencia térmica del sistema de aislamiento al operar a una clasificación especificada. Los bobinados del generador y los componentes del rotor junto con las piezas estructurales y el material aislante todos forman el sistema de aislamiento de los generadores. La clasificación de aislamiento determina la capacidad del sistema de disipar el calor generado cuando la corriente pasa por los cables de cobre, y la capacidad de los materiales aislantes de soportar las temperaturas generales alcanzadas.

La norma para motores y generadores de la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA MG-1) es una de las normas usadas por los fabricantes de generadores para clasificar el material de aislamiento. Los sistemas de aislamiento están clasificados principalmente por NEMA en una de cuatro categorías básicas: A, B, F o H. Cada categoría es definida por la capacidad de los sistemas de aislamiento de resistir una temperatura especificada bajo condiciones de funcionamiento continuo para cumplir con una curva de vida aceptable.

El aumento de temperatura permitido, medido por la resistencia, para cada clasificación se muestra en la Tabla 1 para el funcionamiento continuo junto con las clasificaciones para el funcionamiento de respaldo, que proporciona un aumento de 25° C adicional. La norma define la operación de respaldo como aplicaciones donde el generador es una fuente de potencia de respaldo de emergencia.

Todas las clasificaciones NEMA MG-1 se basan en una temperatura ambiente supuesta de 40° C con asignaciones proporcionadas para las variaciones en las condiciones ambientales y de altitud junto con los márgenes térmicos basados en los dispositivos de medición. El cuadro en la Figura 1 muestra la temperatura total permitida cuando se mide con la resistencia o con dispositivos de medición integrados en los bobinados para los generadores de más de 1563 kVA y 7.000 voltios o menos. Los dispositivos integrados proporcionan un aumento adicional de la temperatura debido a los puntos de calor potenciales que aparecen en la ubicación de medición. La Figura 1 muestra la temperatura total para el material aislante Clase H para el trabajo continuo a 189° C.

La norma para Máquinas eléctricas giratorias de la Comisión electrotécnica internacional (IEC60034) es la norma usada principalmente por los fabricantes que no pertenecen a Norteamérica y proporciona clasificaciones similares como NEMA MG-1, como se muestra en la Tabla 2 de la edición 13. Las normas no son completamente idénticas con respecto a las disposiciones. Por ejemplo, IEC ha eliminado el aislamiento Clase A, agregó el aislamiento Clase N y proporciona disposiciones diferentes para la operación de respaldo, sin embargo, el aumento de temperatura base y las asignaciones para los detectores integrados son iguales. De nuevo, la intención de estas dos normas es indicar el aumento de temperatura en el que un sistema de aislamiento proporciona resistencia térmica.

RESISTENCIA TÉRMICA

Por lo tanto, ¿qué es "resistencia térmica adecuada"? La resistencia térmica no indica específicamente a qué punto fallará el sistema de aislamiento, si no que indica cuándo se puede esperar una falla térmica del material. Existen muchas presiones en un sistema de aislamiento dentro de un generador de parte de los factores eléctricos, térmicos, mecánicos y ambientales. Todos estos factores trabajan de forma independiente y también juntos para degradar la vida general del sistema de aislamiento y pueden causar eventualmente una falla. La resistencia térmica del sistema usa una prueba de vida acelerada junto con el análisis histórico del mundo real para clasificar los materiales usados en el aislamiento. Generalmente se espera que los materiales cumplan con el valor de referencia de 20.000 horas de funcionamiento continuo antes de la degradación. A partir de esta base se puede desarrollar una curva de resistencia térmica usando la ecuación Arrhenius, también conocida como la Regla de 10. Esta regla indica que cada 10° C de disminución en la temperatura, se duplicará la duración del aislamiento. La curva de resistencia térmica en la Figura 2 muestra la resistencia relacionada con cada una de las cuatro clases de aislamiento.

Como se resalta con las líneas de puntos en la Figura 2, la curva muestra que la resistencia térmica de un generador con aislamiento Clase H funcionando a 180° C (40° C temperatura ambiente + 125° C de aumento + 15° C margen térmico) es de 20.000 horas. El mismo generador con aislamiento Clase H que funciona a 155° C (40° C temperatura ambiente + 105° C de aumento + 10° C margen térmico) se espera que tenga una resistencia térmica de más de 100.000 horas. De la misma manera, si un generador con aislamiento Clase F opera a 155° C se espera que tenga una resistencia térmica de 20.000 horas. Entender las curvas de resistencia térmica ayuda a evaluar los generadores con respecto a las diferentes clasificaciones de aislamiento.

ESPECIFICAR LA CLASE DE AISLAMIENTO

A menudo, una especificación del cliente para un generador indicará una clasificación de aislamiento y un aumento de temperatura para el generador. Se debe reconocer que el aumento de temperatura se debe alinear proporcionalmente con la clase de aislamiento. Es decir, cuando una especificación solicita un aislamiento Clase F con un aumento de temperatura de 105° C sobre una temperatura ambiente de 40° C según la norma NEMA MG-1, una oferta alternativa aceptable sería proporcionar un generador con aislamiento Clase H a un aumento de temperatura de 125° C sobre una temperatura ambiente de 40° C. Esto es posible porque el generador proporcionará la misma resistencia térmica. Si el aumento de 105° C se usa con el aislamiento Clase H, el cliente pagará por 100.000 horas cuando esperan 20.000 horas. Además, se deben realizar observaciones al especificar una aplicación funcionamiento de reserva o continuo para alinear con las asignaciones dentro de las normas. Cuando se usa el aumento de temperatura NEMA DE 180° c (40° C + 125° C + 15° C) para el funcionamiento continuo Clase H, como se muestra en la Tabla 1, la resistencia esperada sería de 20.000 horas como se mostró previamente en la Figura 2. Si se espera que sea una aplicación de respaldo se debe proporcionar una asignación de 25° C adicional dentro de la especificación. El 25° C adicional proporcionará una temperatura total de 205° C (40° C+ 150 C + 15 C) para un funcionamiento de respaldo Clase H. Como se muestra en la Figura 3, la resistencia térmica esperada para la aplicación de respaldo sería de 4.000 horas. En una aplicación de respaldo, que generalmente se espera que opere a menos de 200 horas al año, esto sería una diferencia de 100 años a 20 años de operación. Aunque la resistencia térmica no es absoluta con respecto a la duración del generador, indica una solidez del diseño general del generador, que podría causar costo adicional cuando no se reconoce el valor.

ESPECIFICAR EL AUMENTO DE TEMPERATURA

El aumento de temperatura no siempre se usa en las especificaciones del cliente para indicar exclusivamente la resistencia térmica del generador. A menudo, una especificación usará un menor aumento de temperatura con la suposición de que esto proporcionará un generador más sólido con respecto al rendimiento. Esta suposición funcionará en la mayoría de los casos pero podría ser un medio costoso para alcanzar los resultados deseados. Como se indicó anteriormente, cuando la corriente eléctrica fluye por un cable, se genera calor. La resistencia del cable y la cantidad de corriente que pasa, en parte, determinan cuánta temperatura alcanzará el cable. Además, la transferencia de calor a los materiales alrededor del cable junto con la capacidad de disipar el calor determinará el aumento de temperatura general del alternador. Los fabricantes de generadores usan los diferentes aumentos de temperatura para clasificar el generador según el flujo de corriente. El mismo generador se puede usar en varios aumentos de temperatura para alcanzar diferentes clasificaciones según lo indican los datos de un solo generador en la Figura 2. Este mismo generador se puede usar en aplicaciones de 3.750 kVA de respaldo a 2.750 kVA continuo.

Especialmente, al alterar la clasificación del generador, que baja el amperaje admitido, la Reactancia Subtransitoria (X"d) del generador también baja, porque es una relación asociada a la corriente nominal. La reactancia subtransitoria también se usa para indicar la solidez eléctrica del generador. Una reactancia subtransitoria más baja proporcionará más corriente disponible durante la demanda inicial lo cual permite que el generador responda más rápido a los cambios en la carga. Esto, a menudo, se conoce como una "fuente más rígida".

La reactancia subtransitoria más baja se hace posible con el aumento de temperatura más bajo porque hay más cobre disponible para proporcionar la corriente que se usa generalmente. Este cobre adicional está disponible durante la demanda inicial de energía y hace que el generador sea más reactivo. Otra manera de aumentar la cantidad de cobre disponible en el generador es al cambiar los métodos de bobinado. Al cambiar un generador de uno de devanado aleatorio a uno de devanado de forma, como se muestra en la Figura 5, aumenta el cobre disponible sin impactar en la clasificación de aumento de temperatura. Esto reduce la reactancia subtransitoria, ya que proporciona un mejor rendimiento.

Aunque cambiar de un devanado aleatorio a un devanado de forma puede aumentar el costo del generador, es posible que el costo aumentado será menor que el aumento de clase de temperatura que requeriría un generador general más grande. También hay métodos para mejorar el rendimiento de los generadores que realmente pueden bajar los costos del generador. La Tabla que se encuentra a continuación muestra dos generadores con la misma clasificación de temperatura. Ambos son generadores de devanado de forma con el mismo estator del tamaño del bastidor.

La diferencia entre estos generadores está en el diseño del rotor. Los cambios en diseño del rotor permiten que el Generador B proporcione 2 % mejor reactancia subtransitoria, pero el valor real está en que el Generador B es casi 20 % menos costoso que el Generador A. Debido a los cambios, el Generador B tiene menos capacidad del Factor de potencia principal que el Generador A, sin embargo esto puede ser aceptable para muchas aplicaciones y proporciona una ventaja de costos significativa.

RESUMEN

La clase de aislamiento y el aumento de temperatura de un generador son factores críticos que influyen directamente en los diseños del generador y se deben considerar al elaborar las especificaciones de los requisitos. La clasificación del aislamiento del generador determinará los materiales usados para aislar el generador y cuando se combinan con los objetivos de aumento de temperatura proporcionarán una resistencia térmica esperada del generador. Un cliente puede usar esta información para generalmente predecir la dimensión de la vida esperada relacionada con el desgaste térmico y desarrollar un valor de referencia equivalente entre los productos de diferentes fabricantes. 

El aumento de temperatura también se usa en la especificación para identificar la solidez de un generador en relación con el rendimiento, sin embargo este puede ser un método costoso para entregar mejor rendimiento. Al especificar el rendimiento, se recomienda usar factores directamente relacionados con el rendimiento que se busca. Por ejemplo, si la respuesta del generador es deseable usando factores como el arranque del motor o los valores de reactancia subtransitoria permitirían que el fabricante del generador proporcione productos que cumplen con el efecto deseado con un potencial para un menor impacto en el costo.