Autopsia de un capacitor

Un capacitor o condensador es un dispositivo que almacena energía en forma de carga eléctrica. En su forma básica, esta constituido por dos electrodos metálicos o placas conductoras separadas por un material dieléctrico. Estas placas cuando son sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad, y en el Sistema Internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo un Faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1Volt, estas adquieren una carga eléctrica de 1 Coulomb.
Existen numerosas aplicaciones de los capacitores en electrónica y electricidad. En el campo de la electricidad los dos usos más habituales son para corrección del factor de potencia (banco de capacitores) y para arranque de motores monofásicos (capacitor de marcha).

El capacitor
Procederemos a realizar una autopsia a un capacitor de marcha defectuoso que fue extraído de la caja de conexiones de un motor de inducción monofásico de corriente alterna que accionaba la bomba de un hidromasaje.



En su lateral encontramos impresas las siguientes características:

Marca: Epcos
Capacidad: 25 uF
Tolerancia: +- 5%
Tensión: 400V
Frecuencia: 50/60 Hz
Terminales: B32322 doble conector Fast on 6,3 x 0,8 mm
Standard: IEC / EN 60252


Se trata de un capacitor para uso en corriente alterna con envoltura plástica, encapsulado con Resina poliuretánica (Polyurethane resin) y cuyo dieléctrico es Film de polipropileno metalizado (Polypropylene film). Con esta tecnología de fabricación se obtienen las siguientes características destacables:

• Propiedades autoregenerables (Self-Healing properties): Esta es la característica del film metalizado, de volver a la condición de operación correcta cuando se produce una perforación del dieléctrico durante el servicio normal del capacitor. Cuando se produce un cortocircuito interno, la fina capa de metal depositado actúa como fusible de baja corriente evaporandose alrededor de la falla. Esto restituye la capacidad de trabajo del capacitor. La pérdida de capacidad por este efecto es despreciable.
• Bajo factor de disipación.
• Elevada resistencia de aislación.

Estos capacitores son construidos con un material dieléctrico que consiste en dos hojas de film de polipropileno (dieléctrico seco) cada una de las cuales tiene metal depositado por vacío en una de sus caras.
Cada lámina de metal actúa como electrodo del capacitor; a raíz de que este metal tiene solo unos cientos de angstroms de espesor, tiene una limitada circulación de corriente para cada punto del dieléctrico. Para compensar esta limitación todo el extremo donde se conecta cada electrodo se metaliza a soplete para dar mayor capacidad de corriente. La metalización sirve como terminación para la conexión interna con el terminal de salida.

La autopsia
El capacitor presenta una deformación con erupción de material sobre el recipiente plástico de envoltura. Esto podría ser causado por la combustión interna del material dieléctrico por un cortocircuito.



Los principales enemigos de este tipo de capacitores son:
• Sobretensiones
• Sobretemperaturas

En el caso de este capacitor se han verificado elevadas temperaturas de operación en un recinto confinado y saturado de humedad por lo que la falla podría deberse a estas desfavorables condiciones ambientales.
Otra señal para estudiar es la presencia de oxido y rastros de agua en los terminales de conexión por lo que se verificará también la posibilidad de que el desperfecto sea debido al ingreso de humedad en el equipo.



Comenzamos la disección retirando la tapa superior. Esta posee un anclaje a presión y puede retirarse ejerciendo presión sobre ella. Al intentar retirarla notamos que los terminales se hallan insertados en la misma y a ellos se han soldado los cables de conexión a las placas internas por lo que debemos cortar esta tapa plástica para acceder al interior del capacitor.



Una vez retirada la tapa podemos observar los terminales, el cable de conexionado interno y el sellado confeccionado en resina poliuretánica.



El sellado se encuentra en perfecto estado y sin rastros de humedad por lo que descartamos que la causa de la falla sea por infiltración o condensación de humedad.
El siguiente paso del despiece es la extracción del envase o cilindro de cobertura para lo que realizamos un corte en el tubo y quitamos por piezas el revestimiento plástico. En caso de no estar quemado el capacitor, este envase podría extraerse entero tirando de los terminales.




Aquí observamos el capacitor sin su recubrimiento plástico.



Inyectado en la resina encontramos el cable de conexión desde la metalización inferior hasta el terminal de salida.



En la zona de erupción observamos que se trata de material que proviene de la zona de las placas que atravesó el sellado de resina y el recubrimiento plástico impulsado por un incremento de presión y temperatura en el interior del capacitor.



También se destaca la forma plana que tomo este material al quedar confinado en el tablero de comando del motor.



Continuamos con la extracción del encapsulado de resina poliuretánica. Primero se retiran las tapas inferior y superior.



Para luego quitar el cilindro lateral mediante un corte vertical en la resina. Este material es elástico y su extracción no presenta dificultad.



Estos capacitores se elaboran enrollando una película aislante de polipropileno metalizado en forma de espiral por lo una vez retirado el encapsulado, lo que visualizamos es la capa exterior de esta espiral de film de dieléctrico metalizado recubierta por una capa exterior de protección transparente y de mayor espesor.



En la zona próxima al estallido visualizamos además, el film de polipropileno y la capa exterior fundidos por las elevadas temperaturas.


A fin de ejecutar una inspección más profunda, procedemos a retirar el bloque de conexiones. El mismo esta compuesto por dos terminales macho dobles remachados al anclaje mecánico y soldados a los cables de conexión superior e inferior. Las conexiones a la espiral también se encuentran realizadas mediante sendas soldaduras.



En el sector superior encontramos la zona de metalización y, sobre ella, el sector de soldadura del cable de conexión. En el centro observamos el carrete cilíndrico sobre el que se enrolla el film para darle forma al capacitor y que, además posee una ranura rectangular utilizada para encastrar el anclaje mecánico de los terminales. En esta cara no se observan averías.



En la cara inferior el panorama es distinto: El carrete esta desplazado del centro del cilindro y el sustrato metalizado agrietado y deformado.



Además de esto, entre las grietas y en las proximidades del núcleo asoma una porción del material expandido de idénticas características que las de la erupción exterior. Esto nos indica que el desperfecto sucedió en un punto próximo o sobre el carrete.



Por esta razón y para identificar los factores que iniciaron el desperfecto, debemos llegar hasta las franjas centrales del arrollamiento. Comenzamos cortando y retirando capa a capa el film de polipropileno metalizado.



Aquí vemos como al abrirlo surgen las distintas hojas que ofician de placas del capacitor.



La siguiente imagen muestra el detalle de las hojas de mínimo espesor de dieléctrico (entre 5 y 10 micrones) y gran superficie metalizada. El deposito de Zinc tiene un espesor en el orden de los Angstroms (1nm = 10 A). De esta manera se logra una gran superficie de placas conductoras y una reducida distancia entre ellas. Estas son dos de las características importantes que se buscan para aumentar la capacitancia.



Luego de quitar varias capas llegamos al sector dañado en el que las altas temperaturas han fundido parte del material solidificándolo.



Entonces, a fin de llegar al centro del capacitor, procedemos a cortar con sierra por el plano axial del cilindro.



A medida que avanzamos observamos los distintos estados que tomaron las láminas a causa del aumento de temperatura.



Al desprender la mitad del capacitor llegamos al centro, aquí es donde encontramos un sector hueco donde perece haberse generado y desarrollado la combustión y posterior deflagración.



Al observar en detalle también contemplamos los devastadores efectos térmicos y el camino que recorrió el material expandido hasta fluir al exterior por el sector más endeble del tubo.




Diagnóstico final

La examinación post-mortem del capacitor nos indica que se produjo la combustión súbita o deflagración en las proximidades del carrete plástico del arrollamiento. Esta combustión fue propulsada por el oxigeno que ingresó por la ranura superior del carrete (donde se fija el bloque de contactos) y avanzó inmediatamente sobre el arrollamiento. El film de polipropileno tiene una temperatura de fusión de 160ºC a 170ºC por lo que la combinación de alta temperatura y presión en el capacitor hicieron fluir hacia el exterior esta espuma de polipropileno EPP de color gris plomo que al solidificarse adquirió gran dureza.
La ignición fue iniciada a causa de un cortocircuito entre las placas degradadas por las malas condiciones ambientales en que operaba el equipo.



Fuente: afinidadelectrica