El Índice de Polarización (PI) es una de las pruebas de aislamiento más valiosas y ampliamente utilizadas en diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas. Proporciona información sobre la condición del aislamiento desde una perspectiva temporal, permitiendo detectar humedad, contaminación y deterioro dieléctrico que pueden no ser evidentes en mediciones simples de resistencia de aislamiento (IR).
Desarrollado por el IEEE en 1974, el Índice de Polarización elimina la sensibilidad excesiva a la temperatura que presentan las mediciones de IR puras, proporcionando un diagnóstico más confiable y reproducible. Esta técnica es especialmente efectiva para máquinas con sistemas de aislamiento VPI (Vacuum Pressure Impregnation) y sistemas modernos que tienden a generar valores muy altos de IR.
Para comprender completamente el Índice de Polarización, es esencial conocer la estructura interna de los materiales aislantes desde una perspectiva electrostática.
Un material aislante puede conceptualizarse como un conjunto de partículas cargadas eléctricamente de dos tipos principales:
- Cargas Libres: Positivas y negativas, pocas en cantidad. Incluyen electrones e iones que pueden desplazarse libremente a través de la estructura. Estas cargas son responsables de la conductividad eléctrica del material.
- Cargas Asociadas (Dipolos): Pares de cargas de distinto signo (+ -) que permanecen distribuidas en la estructura molecular, sin desplazarse lateralmente, aunque pueden girar sobre su eje. Son la característica fundamental del dieléctrico.
- Las cargas libres se desplazan: Generando corriente eléctrica (corriente de fuga, If)
- Los dipolos giran: En respuesta a campos eléctricos externos (fenómeno de polarización)
- Acumulación de trabajo: El material acumula energía equivalente a la eléctrica aportada por la fuente externa
- Polarización: Los dipolos se orientan por acción de una fuente externa; estado reversible que desaparece cuando se retira la fuente
- Comportamiento alterno: Si se alimenta con corriente alterna, el efecto es igualmente alterno; los dipolos giran constantemente
Los primeros materiales aislantes utilizados fueron naturales: fibras de celulosa, seda, lino, lana, cuero, ceras, petróleo (asfalto), asbesto y mica. Algunos se combinaron para crear nuevos compuestos mejorados.
En 1908, el Dr. Baekeland produjo los primeros materiales sintéticos (resinas fenol-formaldeidas), conocidas como Bakelita. Durante la Primera Guerra Mundial, se combinaron resinas de asfalto con mica para mejorar aislantes de ranuras (sistemas usados hasta 1980).
En 1974, el IEEE introdujo el estándar IEEE 43 para pruebas de aislamiento en máquinas rotativas, basado en corriente directa. Este estándar incorporó la prueba del Índice de Polarización como herramienta para evaluar la condición del aislamiento desde una perspectiva temporal.
Cuando se aplica voltaje DC a un material aislante, la corriente medida no es simple; puede descomponerse en tres componentes principales:
- If (Corriente de Fuga): Fluye por los contaminantes y zonas externas del aislante. Es prácticamente constante en el tiempo. Responsabilidad de la resistencia de aislamiento global.
- Ic (Corriente Capacitiva): Relacionada con la carga del capacitor que se forma entre conductores. Desaparece en el primer minuto de prueba. Es transitoria.
- Ip (Corriente de Polarización o Absorción): Se relaciona con el movimiento y re-orientación de los dipolos en presencia de la fuente DC. Disminuye gradualmente durante varios minutos. Es el componente más importante para diagnóstico.
La evolución temporal de estos componentes es crítica: If es constante, Ic decae rápidamente (milisegundos), e Ip decae lentamente (minutos). La resistencia de aislamiento medida es IR = V / I_total, que aumenta con el tiempo porque la corriente total disminuye.
El Índice de Polarización (PI) es un parámetro adimensional que relaciona dos mediciones de resistencia de aislamiento tomadas en dos momentos diferentes durante la prueba. Es una razón simple pero poderosa para diagnóstico.
donde: IR10min = Resistencia medida a 10 minutos
IR1min = Resistencia medida a 1 minuto
El PI es adimensional (sin unidades), porque es una razón de resistencias. Esta característica es una ventaja fundamental, ya que el PI es relativamente independiente de la temperatura, a diferencia de las mediciones de IR puras que varían significativamente con temperatura.
Cuando se aplica voltaje DC a un aislante, los dipolos tienden a orientarse por acción de la fuente externa. Este proceso sigue la Ley de Cargas:
- Cargas de igual signo se repelen
- Cargas de diferente signo se atraen
En t = 0: Se aplica voltaje DC. Los dipolos comienzan inmediatamente a girar/reorientarse. Inicialmente, la corriente capacitiva domina.
En t = 1 minuto: La corriente capacitiva ha desaparecido. La corriente total es dominada por If + Ip residual. La resistencia medida es IR₁.
En t = 1-10 minutos: Los dipolos continúan reorientándose lentamente. La corriente Ip continúa disminuyendo. La resistencia aumenta progresivamente.
En t = 10 minutos: Se ha alcanzado un cuasi-equilibrio. La resistencia medida es IR₁₀, que es mayor que IR₁.
En aislamientos secos: IR₁₀ >> IR₁, dando PI >> 1. En aislamientos húmedos: IR₁₀ ≈ IR₁, dando PI ≈ 1, porque If domina.
La fórmula fundamental es simple:
Aunque PI es menos sensible a temperatura, a temperaturas muy distintas de 40°C, se recomienda normalizar:
donde T₀ = 40°C (referencia IEEE 43)
Una vez corregidas ambas mediciones a 40°C:
(Nuevo)
(Bueno)
(Monitoreo)
| PI (Rango) | Criterio IEEE | Condición | Acción |
|---|---|---|---|
| PI ≥ 4.0 | ✅ Excelente | Nuevo, seco | Aceptar |
| PI 2.0-4.0 | ✅ Bueno | Servicio normal | Aceptar |
| PI 1.5-2.0 | ⚠️ Aceptable | Humedad leve | Investigar |
| PI 1.0-1.5 | ⚠️ Pobre | Humedad moderada | Acción correctiva |
| PI < 1.0 | ❌ Crítico | Humedad severa | Rechazar |
Relacionado al PI existe otro parámetro: la Absorción Dieléctrica (DA).
DA mide absorción en los primeros minutos. Valores típicos: DA ≈ 1.1-1.3 para aislamiento sano. DA cercano a 1.0 indica mala polarización (humedad).
DA y PI generalmente tienen la misma tendencia: ambos aumentan con buen aislamiento, ambos disminuyen con humedad.
Cuando se obtienen valores PI > 6-8, a primera vista parecería «muy bueno». Sin embargo, NO es recomendado. Potenciales causas:
- Deterioro térmico: Cambios fundamentales en la naturaleza del aislamiento alteran mecanismos de corriente
- Envejecimiento acelerado: Degradación de polímeros en aislamiento VPI
- Defectos de manufactura: Bobinados mal impregnados
- Desconexión: Aislar máquina de todas las fuentes
- Aterrizamiento: Resistencia 10-100 kΩ entre bobinado y tierra. Esperar 20-30 minutos
- Verificación: Voltaje residual < 50V en todos puntos
- Temperatura: Registrar temperatura ambiente y de bobinado
- Seleccionar voltaje (IEEE 43):
- ≤ 1 kV: 500V DC
- 1-5 kV: 1000V DC
- 5-15 kV: 2500V DC
- > 15 kV: 5000V DC
- Conectar megóhmetro entre fase y tierra
- Aplicar voltaje; esperar 1 minuto exacto
- Registrar lectura: IR₁min
- Continuar; esperar 10 minutos exactos
- Registrar lectura: IR₁₀min
- Desconectar; aterrizar bobinado
- Repetir para fases V y W
- Calcular PI para cada fase: PI = IR₁₀ / IR₁
- Si T ≠ 40°C, normalizar ambas a 40°C
- Calcular promedio (3φ): PI_prom = (PI_U + PI_V + PI_W) / 3
- Evaluar contra criterios IEEE 43
Algunos megóhmetros registran IR vs tiempo (0-10 min), generando una curva. La forma es diagnóstica:
- Curva suave y monotónica: ✅ Aislamiento sano. IR aumenta regularmente.
- Curva con irregularidades: ⚠️ Humedad/contaminación. Relajación anómala.
- Curva casi plana: ❌ Crítica. IR no cambia; If domina; humedad severa.
- Curva con «bump»: ⚠️ Contaminación localizada o defecto bobinado.
Lo más importante NO es valor absoluto de PI, sino su tendencia en el tiempo:
| Escenario | Interpretación | Acción |
|---|---|---|
| PI estable | ✅ Normal | Monitoreo anual |
| PI disminuye progresivamente | ⚠️ Humedad ingresando | Investigar; intensificar monitoreo |
| PI caída repentina | ❌ CRÍTICA | Acción INMEDIATA |
| PI aumenta anormalmente | ⚠️ Deterioro térmico | Repetir; verificar T; inspeccionar |
- Antes de aplicar: Aterrizar bobinado, esperar 20-30 minutos tras apagado
- Ubicación: Hacer PI directamente en motor cuando sea posible (no en CCM)
- Registro gráfico: Revisar forma de curva IR vs tiempo si disponible
- Temperatura: Siempre registrar. Si > 40°C, normalizar
- Repetibilidad: Si borderline (PI ≈ 1.5-2), repetir tras 24h
- Complementar: PI + IR + Tan δ + Capacitancia + Surge (MT) + Hi-Pot
- Documentación: Registrar IR@1min, IR@10min, T, PI, forma curva, histórico
El Índice de Polarización es herramienta diagnóstica valiosa, relativamente simple de implementar pero profunda en información. Su principal ventaja es insensibilidad a temperatura vs mediciones IR puras, permitiendo comparaciones confiables en condiciones ambientales diferentes.
El PI es especialmente efectivo para detectar humedad incipiente en aislamiento, causa raíz frecuente de fallas. Valores PI decrecientes en tiempo son alarma temprana para investigar e implementar acciones correctivas.
Sin embargo, PI NO es herramienta única. Debe integrarse en programa integral de pruebas estáticas que incluya: IR, Tangente Delta, Capacitancia, Surge Testing (MT) e Hi-Pot, proporcionando diagnóstico holístico y confiable.