La prueba de alto potencial, conocida como Hi-Pot (del inglés high potential), representa una de las evaluaciones más críticas en el diagnóstico del estado de aislamiento de máquinas eléctricas rotativas. Esta prueba no destructiva permite identificar debilidades en la estructura dieléctrica del bobinado que podrían comprometer la operación confiable de motores y generadores en servicio.
Durante la operación de una máquina eléctrica, el sistema de aislamiento está sometido a solicitaciones eléctricas complejas que incluyen transitorios y sobretensiones que pueden exceder significativamente el nivel de tensión de diseño.
El sistema de aislamiento de una máquina eléctrica está constituido por la configuración de conductores, carcasas y materiales dieléctricos diseñados para soportar niveles específicos de solicitación eléctrica. La capacidad de este sistema depende de la calidad de los materiales, el espesor de las capas aislantes y el correcto proceso de manufactura.
Se distinguen dos tipos principales de solicitaciones:
Solicitación de Campo Eléctrico: Afecta a nivel microscópico los volúmenes de los materiales aislantes. Se considera durante diseño, definiendo la densidad de campo eléctricoMedida en V/mm o kV/mm: estrés en el dieléctrico máximo permisible.
Solicitación de Tensión: Se relaciona con la tensión eléctrica aplicada. Establece niveles de tensión que el sistema debe resistir sin fallar.
Una máquina eléctrica está sometida durante su vida útil a distintos niveles de tensión:
- Tensión Nominal: Nivel de operación para el cual fue diseñada.
- Baja Tensión: Operación por debajo de condiciones normales.
- Sobretensiones Temporales: De segundos a minutos, por maniobras o fallas.
- Sobretensiones de Maniobra: De milisegundos, por conmutación rápida.
- Sobretensiones Externas: De microsegundos, por rayos o transitorios.
Tendencia de Diseño: Máquinas modernas presentan aislamiento más delgado pero mejor calidad. Las máquinas actuales están sometidas a mayores solicitaciones relativas, especialmente con variadores electrónicosGeneran dV/dt muy altos, aceleran degradación.
Cuando una tensión en corriente directa (CD) se aplica al bobinado del estator, la carcasa del motor se conecta a tierra. Entre el bobinado y la tierra se establece el diferencial de tensión que pone a prueba el aislamiento. Esta configuración genera una corriente medida en microamperios (μA)1 μA = 0.000001 amperios: corrientes muy pequeñas, el parámetro fundamental que el operador supervisa.
La corriente que circula resulta de múltiples fenómenos físicos simultáneos:
Corriente de Conducción y Fuga: Originadas por cargas que atraviesan el material aislante. Son aproximadamente constantes y dependen de temperatura, tensión aplicada, defectos y calidad del material. Humedad y contaminación aumentan significativamente estas corrientes.
Corriente de Absorción (Polarización Dieléctrica): Asociada a la reorientación de moléculas cargadas. Decrece exponencialmente con el tiempo, alcanzando valores negligibles en los primeros 10 minutos. Crucial para entender corrientes transitorias iniciales.
Corriente de Carga Capacitiva: Determinada por la capacitancia del devanado y velocidad de cambio de tensión (dV/dt). Decae exponencialmente a cero en segundos y no se usa para evaluación final.
La prueba es particularmente efectiva para identificar defectos que otros métodos pueden pasar por alto:
- Grietas y fisuras en el material dieléctrico
- Humedad atrapada en cavidades del bobinado
- Separaciones o desprendimientos de cintas aislantes
- Contaminación de la superficie conductora
- Ausencia o curado incompleto de resinas epoxi
- Delaminación interna en aislamiento mica/epoxi
- Debilitamiento del aislamiento por envejecimiento térmico
Para Máquinas Nuevas y Rebobinadas (Según IEEE 95-2002):
Donde E = tensión línea-línea nominal en voltios
Motor de 460V trifásico:
$$V_{\text{prueba}} = 1.7 \times (2 \times 460 + 1000) = 1.7 \times 1920 = \mathbf{3264 \text{ V}}$$Para Máquinas en Servicio (Mantenimiento):
Se selecciona 0.65 para máquinas antiguas, y 0.75 para máquinas en buena condición.
(460V nominal)
(70% aceptación)
Máquinas Nuevas: Aprueba cuando la gráfica corriente vs tensión forma línea recta. Falla si hay aumento brusco y no lineal de corriente.
Máquinas en Operación: Criterio de linealidad con voltajes reducidos. Si pasa, aislamiento aceptable para 3-5 años más de operación.
Consideración: Hi-Pot en CD no degrada significativamente aislamiento en buen estado. Este trade-off es aceptable: mejor activar falla en laboratorio que durante operación.
- Medición de Resistencia de Aislamiento (IR)Se mide con megohmetro en 500V o 1000V DC: Registrar valores a 1 y 10 minutos.
- Cálculo del Índice de Polarización (PI)PI = R₁₀min / R₁min: debe ser > 2.0: Debe ser > 2.0 para proceder.
- Inspección Visual: Verificar ausencia de daño, humedad o contaminación.
- Documentación: Registrar temperatura ambiente y bobinado.
- Calcular tensión máxima según IEEE 95Norma: IEEE Std 95-2002
- Determinar incremento: típicamente 3% de Vmax
- Paso Inicial: Aplicar 30% de Vmax durante 10 minutos
- Pasos Subsecuentes: Incrementos de 3%, 1 minuto cada paso
- Ajuste de Tensión: Realizar en primeros 10 segundos
Alternativa moderna con mejor control:
- Registrar continuamente corriente vs tiempo
- Monitorear relación instantánea $\frac{dI}{dV}$
Riesgos Eléctricos: Voltajes elevados con energía considerable. Riesgos: descarga eléctrica fatal, quemaduras por arco, acoplamiento capacitivo.
- Desconectar equipo de todas las fuentes (usar bloqueo de breaker)
- Realizar múltiples descargas a tierra (resistencia 10kΩ)
- Conectar bobinado a tierra con resistencia permanente
- Verificar tierra baja impedancia (<1Ω)
- Asegurar todas las conexiones firmes
- Reducir gradualmente tensión a cero (<1 minuto)
- Mantener fuente desconectada
- Descargar bobinado a tierra (resistencia 10kΩ-100kΩ)
- Esperar 2-5 minutos después de descarga inicial
- Verificar con detector voltaje sin tensión residual
- Conectar permanentemente a tierra el bobinado
- Mantener conexión a tierra mínimo 15 minutos
IEEE Std 95-2002: Práctica recomendada para prueba aislamiento máquinas AC con alto voltaje CD. Define voltajes, procedimientos e intervalos.
ANSI/EASA AR100-2010: Práctica para reparación aparatos rotatorios. Especificaciones detalladas para Hi-Pot en máquinas rebobinadas.
IEC 60034-18-1:2023 Nueva 2023: Norma internacional para prueba aislamiento máquinas rotativas. Incluye directrices para máquinas con variadores electrónicos (converter-supply).
NEMA MG 1-2024 Nueva 2024: Estándar que especifica niveles Hi-Pot para máquinas nuevas. Incluye nuevas clases de aislamiento y eficiencia.
IEEE P97 (En Desarrollo): Futuro estándar que ampliará diagnósticos incluyendo pruebas de humedad, contaminación e Polarization Depolarization Current (PDC)Prueba avanzada para detectar envejecimiento y contaminación.
En fábricas de motores, Hi-Pot es protocolo obligatorio. Cada máquina nueva debe pasar antes de despacho. Garantiza cumplimiento de requisitos de diseño.
Fundamental para verificar calidad de rebobinado. Detecta rápidamente defectos: falta de curado, aislamiento inadecuado, contaminación.
Se recomienda cada 3-5 años para máquinas en operación. Permite detectar envejecimiento, daño por transitorios, efectos de variadores.
Cuando ocurre falla de aislamiento, Hi-Pot en máquinas hermanas identifica patrones sistemáticos de debilidad.
La prueba de alto potencial en CD es herramienta versátil y poderosa para evaluar integridad de aislamiento en máquinas rotativas. Su capacidad para identificar debilidades que otros métodos pasan por alto, combinada con seguridad relativa del procedimiento ejecutado correctamente, la convierte en componente esencial de estrategias mantenimiento predictivo y control calidad.
El éxito depende de: (1) comprensión clara de fundamentos físicos, (2) selección adecuada de voltajes según normas actualizadas IEEE 95, IEC 2023, NEMA 2024Normativas más recientes disponibles, (3) ejecución cuidadosa del procedimiento, (4) interpretación experta considerando contexto histórico de la máquina.