Estudio del estado mecánico del aislamiento y detección de fallas en bobinas de máquinas rotatorias mediante análisis de respuesta a la frecuencia(FRA)

Abstract

El Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA) se ha consolidado como técnica efectiva para la detección temprana de fallas en transformadores de media y alta tensión, con referencias técnicas y prácticas normadas internacionalmente. Sin embargo, su aplicación en máquinas rotatorias presenta una brecha significativa de conocimiento técnico, con escasa documentación y ausencia de metodologías estandarizadas. Esta situación representa una oportunidad de investigación para adaptar la técnica FRA desde transformadores hacia bobinas preformadas de máquinas rotatorias. Este estudio desarrolla y valida experimentalmente la aplicación del FRA en bobinas preformadas de máquinas rotatorias de media tensión, adaptando metodologías desde transformadores, estableciendo configuraciones de mediciónespecíficas, caracterizando patrones de falla típicos y determinando rangos de frecuencia interpretables para diagnóstico efectivo. Se utilizó el equipo FRAX101 del Laboratorio de Alta Tensión USM, estableciendo tres configuraciones de medición: inductiva (configuración 1), inductiva a tierra (configuración 2) y capacitiva (configuración 3). Se desarrollaron conectores adaptados para mejorar la calidad de contacto y se implementó un protocolo experimental que incluyó la simulación de seis tipos de fallas: cortocircuito entre vueltas, aislamiento principal a tierra, degradación de cinta semiconductora, contaminación superficial, fractura de aislamiento y flexión. Se aplicaron indicadores estadísticos según criterios de Cigre TB 812 y se realizó análisis de sensibilidad del sistema de medición(...). Frequency Response Analysis (FRA) has been established as an effective technique for early fault detection in medium and high-voltage transformers, with internationally standardized technical references and practices. However, its application to rotating machines presents a significant technical knowledge gap, with scarce documentation and absence of standardized methodologies. This situation represents a research opportunity to adapt the FRA technique from transformers to preformed coils of rotating machines. This study develops and experimentally validates the application of FRA to preformed coils of medium-voltage rotating machines by adapting methodologies from transformers, establishing specific measurement configurations, characterizing typical fault patterns, and determining interpretable frequency ranges for effective diagnosis. The FRAX101 equipment from the Laboratorio de Alta Tension USM was utilized, establishing three measurement configurations: inductive (configuration 1), inductive-toground (configuration 2), and capacitive (configuration 3). Adapted connectors were developed to improve contact quality, and an experimental protocol was implemented including the simulation of six fault types: turn-to-turn short circuit, main insulation to ground, emiconductive tape degradation, surface contamination, insulation fracture, and bending. Statistical indicators were applied according to Cigre TB 812 criteria, and measurement system sensitivity analysis was performed(...).