Pruebas avanzadas de aislamiento: 3 corrientes clave para un mejor análisis de los equipos

Comprender las pruebas de aislamiento: Cómo obtener mejores resultados de las comprobaciones de equipos

Introducción

La mayoría de la gente piensa que las pruebas de aislamiento son sencillas: se obtiene un número en el medidor y se decide si se aprueba o no. Aunque este enfoque es habitual, pasa por alto mucha información valiosa que puede proporcionar la prueba. Convierte una potente herramienta de diagnóstico en una simple comprobación básica. Este artículo va más allá de esa comprensión básica. No sólo explicaremos cómo realizar pruebas de aislamiento, sino también por qué conocer los detalles le ayudará a tomar mejores decisiones sobre la salud de los equipos.

Este es el punto clave: el único número que ve en su medidor no cuenta toda la historia. Un análisis completo requiere comprender lo que realmente está ocurriendo durante la prueba. Desglosaremos la corriente total medida durante una prueba en tres partes: la corriente de carga capacitiva, la corriente de absorción dieléctrica y la corriente de fuga conductiva. Comprender cómo cada parte se comporta es lo que transforma una simple lectura en una potente forma de predecir los problemas de los equipos.

Más que una simple lectura del contador

Una lectura simple es sólo una instantánea en un momento dado. No muestra cómo responde el sistema de aislamiento a la tensión eléctrica a lo largo del tiempo. La corriente total que mide su instrumento combina varios factores: el diseño físico del equipo, el estado del material aislante y cualquier problema o contaminación existente. La verdadera comprensión de las pruebas de aislamiento requiere analizar estas partes individuales de la corriente y cómo se comportan con el tiempo. Este enfoque le permite diferenciar entre un sistema sano y seco y otro dañado por la humedad, la suciedad o el envejecimiento, incluso cuando las lecturas iniciales parecen similares.

Cómo funciona el aislamiento

Para entender cómo funcionan las pruebas de aislamiento, primero tenemos que comprender la la ciencia detrás de los materiales aislantes. En pocas palabras, un aislante es un material que resiste el paso de la corriente eléctrica. En esta sección se explica el principios básicos de cómo funcionan los aislantes, por qué nunca son perfectos y cómo acaban estropeándose. Esta base es esencial para comprender los diagnósticos avanzados de los que hablaremos más adelante.

¿Qué es un buen aislamiento?

En un material aislante ideal (llamado dieléctrico), los electrones están firmemente unidos a sus átomos. Cuando se aplica tensión a través de este material, estos electrones no pueden liberarse fácilmente para moverse y crear corriente. Piense que es como una presa que retiene el agua: una presa fuerte e intacta impide el flujo. La eficacia de un aislante depende de dos propiedades clave. Dieléctrico La resistencia es la tensión máxima que alcanza el material puede soportar antes de romperse y permitir que la corriente fluya de forma catastrófica. La resistividad mide la material resiste el flujo de corriente de forma natural. En un bobinado o cable de motor sano, el aislamiento actúa como una fuerte barrera, manteniendo la energía eléctrica contenida en el conductor e impidiendo que se filtre a tierra o a otras fases.

Qué daña el aislamiento

Ningún aislamiento es perfecto, y ninguno dura para siempre. Durante su vida útil, el aislamiento se enfrenta a una combinación de tensiones operativas y ambientales. Estos factores no sólo agujerean el material, sino que modifican sus propiedades químicas y físicas, reduciendo su resistividad y rigidez dieléctrica. Este cambio es exactamente lo que las pruebas de aislamiento están diseñadas para detectar. Las principales formas en que se degrada el aislamiento son:

• Estrés eléctrico: Eventos como la corona y las descargas parciales son pequeñas chispas eléctricas que se producen en bolsas de aire dentro del aislamiento. Con el tiempo, desgastan el material, creando trayectorias de carbono denominadas "arborescencias", que acaban provocando averías.
• Tensión mecánica: La vibración constante puede hacer que el aislamiento se agriete o se separe de los conductores. Los impactos físicos durante la instalación o el mantenimiento pueden crear puntos débiles que fallan bajo tensión eléctrica.
• Ataque químico: La exposición a aceites, disolventes y vapores corrosivos puede ablandar, disolver o hacer quebradizos los materiales aislantes, dañando gravemente su integridad.
• Estrés térmico: El funcionamiento de los equipos por encima de su temperatura nominal acelera el envejecimiento químico del aislamiento, haciéndolo quebradizo y propenso a agrietarse. El calentamiento y el enfriamiento repetidos provocan dilataciones y contracciones que también pueden provocar fallos mecánicos.
• Contaminación ambiental: La humedad es el contaminante más común y peligroso. Es absorbida por el aislamiento y proporciona una vía para la corriente de fuga. La suciedad, el polvo y la acumulación de carbono en las superficies también pueden crear vías para que la corriente fluya a tierra.

Desglose de la prueba IR

La prueba de resistencia de aislamiento (IR) es la herramienta de diagnóstico más básica de que disponemos. Sin embargo, un análisis en profundidad requiere mirar más allá de la única lectura. La corriente medida por el instrumento de prueba no es una sola cosa, sino la suma de tres corrientes diferentes que fluyen al mismo tiempo. La fórmula que rige esta relación es

`I_Total = I_C + I_A + I_L`

Comprender de dónde procede cada una de estas corrientes y cómo se comportan durante la prueba es lo que eleva la prueba IR de una simple comprobación a un potente método de diagnóstico. Explica por qué la lectura de la resistencia cambia con el tiempo y qué nos dicen esos cambios sobre el estado del aislamiento.

Las tres corrientes

Cuando se aplica por primera vez una tensión continua a un sistema de aislamiento, fluye una corriente total relativamente alta. Como se suele suponer, esta corriente no fluye a través de un fallo. Es la suma de la corriente de carga capacitiva, la corriente de absorción dieléctrica y la corriente de fuga conductiva. A medida que la prueba continúa, las dos primeras partes decaen, dejando idealmente sólo la pequeña corriente de fuga estable. Analizar este decaimiento es la clave para entender la prueba.

Corriente de carga capacitiva (I_C)

La corriente de carga capacitiva, `I_C`, es la corriente necesaria para cargar la capacitancia natural del objeto sometido a prueba. Todo sistema eléctrico, como dos conductores paralelos en un cable o los devanados de un motor respecto a su bastidor, forma un condensador. El `I_C` es lo que carga este condensador a la tensión de prueba aplicada. Comienza siendo alta y decae exponencialmente hasta casi cero, normalmente en unos segundos o un minuto. Esta corriente es normal y esperada. Su presencia y rápido decaimiento confirman que el objeto de prueba no está cortocircuitado.

Corriente de absorción dieléctrica (I_A)

La corriente de absorción dieléctrica, `I_A`, es atraída por el propio material aislante. Cuando se aplica un campo eléctrico, las moléculas polares del dieléctrico se alinean con el campo. Este movimiento molecular crea una corriente. Este proceso de polarización es más lento que la simple carga de capacitancia. Por lo tanto, `I_A` decae mucho más lentamente que `I_C`, tardando a menudo varios minutos en disminuir. La velocidad de este decaimiento es un indicador crítico del estado del aislamiento. En un aislamiento limpio y seco, el decaimiento es predecible. Si el aislamiento está contaminado con humedad o suciedad, estos contaminantes proporcionan moléculas polarizables adicionales, aumentando la corriente de absorción y cambiando su patrón de decaimiento.

Corriente conductora (de fuga) (I_L)

La corriente conductora o de fuga, `I_L`, es la pequeña corriente en estado estacionario que fluye a través y sobre el aislamiento. Se trata de la "verdadera" fuga que más nos interesa medir, ya que representa la calidad del aislamiento como barrera al flujo de corriente. En un aislamiento bueno, limpio y seco, `I_L` debería ser un valor muy pequeño y estable. Una corriente de fuga elevada o en constante aumento indica un problema importante, como contaminación por humedad generalizada, carbonización o daños físicos que han creado una vía permanente para el paso de la corriente.

Métodos de ensayo avanzados

Partiendo de los principios de las tres corrientes, podemos utilizar pruebas más avanzadas basadas en el tiempo. Estos métodos proporcionan una visión más profunda al analizar cómo responde el aislamiento a lo largo del tiempo y bajo distintas tensiones. Es menos probable que se malinterpreten debido a la temperatura y pueden revelar tipos de fallos específicos que una simple lectura puntual podría pasar por alto. Estos diagnósticos incluyen las pruebas de índice de polarización (PI), relación de absorción dieléctrica (DAR), tensión de paso (SV) y descarga dieléctrica (DD).

Pruebas PI y DAR

El índice de polarización (PI) y la relación de absorción dieléctrica (DAR) son las pruebas más comunes basadas en el tiempo. Funcionan utilizando el comportamiento de la corriente de absorción dieléctrica (`I_A`). El principio es sencillo: en un buen aislamiento, la corriente de absorción sigue disminuyendo durante varios minutos, lo que hace que la resistencia de aislamiento medida aumente constantemente. La relación entre la resistencia en un momento posterior y en un momento anterior proporciona una forma mensurable de evaluar este efecto.

El PI se calcula a partir de la fórmula `PI = R_10min / R_1min`, donde `R_10min` es la lectura de resistencia después de 10 minutos y `R_1min` es la lectura después de 1 minuto. El DAR es una versión más rápida, calculada como `DAR = R_1min / R_30seg`. Al tratarse de ratios, son en gran medida independientes de la temperatura, lo que los hace excelentes para seguir tendencias. Una relación baja indica que la resistencia no aumentó significativamente, lo que sugiere que una corriente de fuga alta y estable (`I_L`) domina la medición, un signo de contaminación o degradación.

Prueba de tensión de paso (SV)

La prueba de tensión escalonada (SV) evalúa cómo responde el aislamiento a una tensión eléctrica creciente. En lugar de aplicar una única tensión, la prueba se realiza en una serie de pasos iguales (por ejemplo, cinco pasos de 1kV a 5kV), manteniendo la tensión durante un tiempo fijo (normalmente 60 segundos) en cada paso. Este método es excepcionalmente eficaz para identificar fallos localizados como agujeros de alfiler, pequeñas grietas, daños físicos o bolsas de humedad. Estos tipos de fallos pueden no mostrar fugas significativas a tensiones más bajas, pero pueden empezar a romperse y conducir corriente a medida que aumenta la tensión eléctrica.

La interpretación es sencilla: en un aislamiento sano y uniforme, la resistencia medida debería permanecer relativamente constante en cada paso de tensión. Una caída significativa y no lineal de la resistencia en un paso de tensión más alto indica claramente que un punto débil del aislamiento está empezando a fallar debido al aumento de la tensión.

Prueba de descarga dieléctrica (DD)

La prueba de descarga dieléctrica (DD), también conocida como prueba de reabsorción, es un diagnóstico especializado que proporciona información única sobre los sistemas de aislamiento multicapa. Es especialmente útil para máquinas rotativas de alta tensión con estructuras de aislamiento complejas. La prueba mide la corriente que fluye *una vez finalizada* la prueba IR y el objeto de prueba se ha cortocircuitado para descargar la carga capacitiva. Esta corriente restante se debe a la lenta relajación de las moléculas polarizadas dentro del dieléctrico (la inversa de la corriente de absorción).

La prueba DD es muy eficaz para identificar problemas en los que una capa de aislamiento está contaminada o envejecida, mientras que otras siguen sanas. En estos casos, la carga puede quedar atrapada en la interfaz entre capas. Un sistema de aislamiento sano y uniforme liberará la carga almacenada de forma rápida y uniforme. Un sistema defectuoso la liberará lentamente, dando lugar a una corriente medible un minuto después de la descarga. El resultado se calcula como `DD = Corriente (1 min después de la descarga) / (Tensión de prueba * Capacitancia)`.

Entender el cuadro completo

Obtener datos precisos de las pruebas es sólo la mitad del trabajo. La verdadera habilidad de un diagnosticador reside en la interpretación. Esto significa ir más allá de los simples límites de aprobado/no aprobado que figuran en las normas y aprender a pensar como un experto. Implica construir un "cuerpo de pruebas" conectando diferentes pruebas, comprendiendo las influencias ambientales y, lo que es más importante, analizando las tendencias a lo largo del tiempo. Este enfoque completo es lo que transforma los conocimientos teóricos en decisiones de mantenimiento seguras y viables.

La regla de oro: Seguir las tendencias

El principio más importante en el análisis del aislamiento es que el seguimiento de las tendencias es más importante que los valores individuales. Una única lectura "buena" en un motor nuevo puede ser engañosa si la siguiente lectura, un año después, es 50% más baja, aunque siga estando por encima del valor mínimo aceptable. Por el contrario, una lectura baja pero estable en un equipo antiguo puede ser perfectamente aceptable para su estado de servicio. Al trazar los valores de resistencia de pruebas realizadas a lo largo de meses y años, surge una tendencia clara del estado del aislamiento. Esto permite detectar la degradación gradual mucho antes de que alcance un punto crítico, lo que posibilita un mantenimiento predictivo en lugar de reactivo. Las normas como la IEEE 43 proporcionan valores mínimos recomendados, pero la mejor práctica siempre implica establecer su propia línea de base para los nuevos equipos y realizar un seguimiento de su rendimiento a lo largo de todo su ciclo de vida.

Adaptación al entorno

La resistencia del aislamiento es muy sensible a la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la actividad molecular dentro del aislamiento, lo que disminuye su resistividad. Por regla general, por cada 10 °C de aumento de la temperatura del bobinado, la resistencia del aislamiento se reduce a la mitad. A la inversa, por cada 10 °C de disminución, se duplica. Este efecto es tan significativo que comparar una lectura tomada en un día frío con otra tomada en un día caluroso sin corrección carece de sentido. Para realizar un seguimiento preciso de las tendencias, es absolutamente fundamental registrar la temperatura del equipo sometido a prueba con cada lectura. Esto permite el uso de tablas de corrección de temperatura o funciones de software para normalizar todas las lecturas a una temperatura de referencia estándar (normalmente 40 °C), lo que garantiza una comparación real a lo largo del tiempo. La humedad también puede afectar a las fugas superficiales, por lo que la limpieza es un paso crítico previo a la prueba.

Creación de un caso de diagnóstico

Ninguna prueba por sí sola lo dice todo. Un diagnosticador experto combina los datos de varias pruebas para elaborar un diagnóstico completo. Por ejemplo, una vez probamos un motor grande que mostraba un valor IR bajo pero un PI bueno. Esta combinación suele ser desconcertante. Sin embargo, una inspección visual reveló una gruesa capa de polvo de carbón conductor en los casquillos del bloque de terminales. El buen PI indicaba que el propio aislamiento del bobinado estaba en buen estado (la corriente de absorción se comportaba correctamente). La baja IR se debía únicamente a la contaminación de la superficie que proporcionaba una vía de fuga. Tras una limpieza a fondo, el valor de IR volvió a un nivel excelente. Esto demuestra cómo la conexión de los resultados de las pruebas conduce a un diagnóstico preciso.

• IR bajo + PI/DAR bajo: Esta combinación sugiere fuertemente que todo el volumen de aislamiento está comprometido, probablemente por humedad o contaminación química generalizada. La corriente de fuga (`I_L`) es alta y domina la medición, enmascarando la corriente de absorción (`I_A`).
• IR alto + SV deficiente: Esto apunta a un defecto físico localizado, como una grieta o un agujero de alfiler. La mayor parte del aislamiento está en buen estado (lo que da un IR alto), pero un punto débil empieza a fallar cuando la tensión eléctrica es mayor.
• IR/PI bueno + DD alto: Este es un indicador clásico de un problema en una capa de un sistema de aislamiento multicapa, común en los generadores de alta tensión. El aislamiento global es bueno, pero la carga atrapada en una interfaz apunta a la degradación de una capa específica.

Buenas prácticas para las pruebas

La comprensión más sofisticada de la teoría del aislamiento es inútil si la prueba en sí se realiza de forma incorrecta o insegura. Seguir las mejores prácticas rigurosas garantiza que los datos recopilados sean fiables, repetibles y, lo que es más importante, que el procedimiento sea seguro para todo el personal. Basar el debate técnico en estos procedimientos del mundo real genera confianza y garantiza que los conocimientos puedan aplicarse con eficacia.

Seguridad y preparación previas a las pruebas

La seguridad es la prioridad absoluta. Antes de conectar cualquier instrumento de ensayo, debe seguirse una estricta secuencia preparatoria.

1. Aislar y bloquear/etiquetar: Este es el primer paso no negociable. El equipo debe estar completamente aislado de su fuente de alimentación de acuerdo con los procedimientos LOTO establecidos.
2. Verifique la desenergización: Utilice un voltímetro de capacidad adecuada para comprobar la ausencia de tensión en todas las fases y de fase a tierra. Nunca dé por hecho que un circuito está sin tensión.
3. Inspeccione los cables de prueba: Examine los cables de prueba para detectar cualquier signo de daño, como aislamiento agrietado o cables deshilachados. Los cables dañados pueden suponer un grave riesgo de descarga eléctrica y afectar a la precisión de la lectura.
4. Limpie la superficie: Como se ha visto en nuestro caso práctico, la contaminación de la superficie puede crear vías de fuga paralelas que no reflejen el estado real del aislamiento a tierra. Limpie siempre los casquillos, terminales y superficies de aislamiento expuestas de cualquier resto de aceite, polvo de carbón o humedad antes de realizar la prueba.

Realización de la prueba

Durante la prueba, dos consideraciones operativas son fundamentales para la precisión y la seguridad. En primer lugar, utilice el terminal de protección cuando proceda. El terminal de protección es una tercera conexión que intercepta la corriente de fuga superficial y la aleja del circuito de medición del instrumento. Esto permite que el instrumento mida sólo la corriente de fuga real *a través* del volumen de aislamiento, proporcionando una lectura de resistencia más precisa y a menudo más alta, especialmente en condiciones húmedas o en superficies contaminadas.

En segundo lugar, y lo más importante, debe descargar el equipo después de la prueba. La prueba de aislamiento carga el equipo con una alta tensión continua y almacena esta energía como un condensador. Esta carga almacenada puede ser letal. Una vez finalizada la prueba, el equipo debe descargarse de forma segura a través del circuito de descarga interno del instrumento de prueba o con una pértiga de descarga estática específica. Una buena práctica común es permanecer conectado y descargar durante al menos cuatro veces la duración de la aplicación de la tensión de prueba para garantizar que toda la carga de absorción almacenada se haya disipado.

Conclusiones: De los principios al poder

Hemos viajado desde la física fundamental del dieléctrico materiales para la interpretación detallada de pruebas diagnósticas avanzadas. Lo más importante es que las pruebas de aislamiento son mucho más que una simple medición. Se trata de una investigación forense sobre la salud de un activo eléctrico. Al comprender que la corriente total es una combinación de corrientes capacitivas, de absorción y de fuga, desbloqueamos la capacidad de interpretar el comportamiento dinámico del sistema de aislamiento.

Este conocimiento más profundo nos permite utilizar pruebas basadas en el tiempo, como PI y DAR, para evaluar la contaminación, utilizar pruebas de voltaje escalonado para detectar puntos débiles localizados y utilizar pruebas de descarga dieléctrica para analizar sistemas multicapa complejos. Cuando estos datos se combinan con rigurosos análisis de tendencias y correcciones ambientales, se obtiene una capacidad de predicción inigualable. Un profundo conocimiento de estos principios es lo que diferencia a un técnico que puede tomar una lectura de un diagnosticador que puede prevenir un fallo, mejorando en última instancia la fiabilidad de los equipos y la seguridad operativa.

1. IEEE - Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos https://www.ieee.org/
2. NETA - Asociación Internacional de Pruebas Eléctricas https://www.netaworld.org/
3. IEC - Comisión Electrotécnica Internacional https://www.iec.ch/
4. NFPA - Asociación Nacional de Protección contra Incendios https://www.nfpa.org/
5. ASTM International - Normas de ensayos eléctricos https://www.astm.org/
6. ISO - Organización Internacional de Normalización https://www.iso.org/
7. NIST - Instituto Nacional de Normas y Tecnología https://www.nist.gov/
8. Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo (OSHA) https://www.osha.gov/
9. UL - Underwriters Laboratories https://www.ul.com/
10. ANSI - Instituto Nacional Estadounidense de Normalización https://www.ansi.org/