Las pérdidas dieléctricas
son función directa de la cantidad de impurezas y compuestos polares debidos al
envejecimiento del aceite.
Las impurezas pueden
proceder de un refinado defectuoso o por contaminación por agua u otros
productos en contacto con el aceite.
Un aumento de la tg δ en un aceite en servicio
se debe generalmente a envejecimiento por oxidación y viene acompañado de otros
síntomas como aumento del índice de neutralización y del contenido en lodos y
reducción de la tensión interfásica.
Eléctricamente, un
aumento de las pérdidas del aceite origina un calentamiento del aceite y del
papel impregnado, acelerando sobre todo en
el papel, el proceso de degradación térmica de estos materiales.
La medida de la tg δ de un aceite, a
temperatura próxima a la ambiente y a 90º C. es útil para detectar la presencia
de agua de otros compuestos precipitables en frío, distinguiéndolas así de
otros productos
polares solubles debidos generalmente a envejecimiento del aceite.
Cuando se aplica un
voltaje alterno a un condensador, el dieléctrico queda sometido a tensiones y
desplazamientos periódicos. Si el material fuera perfectamente elástico, no
habría pérdida
de energía debido a que la almacenada durante los periodos de aumento de
tensión seria cedida al circuito cuando esta disminuye. Pero la elasticidad
eléctrica de los circuitos no es perfecta, de modo que el voltaje aplicado tiene que vencer
fricciones moleculares además de las fuerzas elásticas; este trabajo de
fricción se transforma en calor representando una pérdida de energía útil.
Cuando las pérdidas de
energía no son excesivas, la elevación de temperatura del dieléctrico es
moderada (3 a 5ºC.), pero si estas pérdidas se elevan, la temperatura puede incrementarse
hasta 50ºC con las
consiguientes modificaciones en el dieléctrico que pueden conducir a fallos en
el condensador. Por ello la medida de esta energía u otra magnitud relacionada
con ella es de
suma importancia.
Considerando el caso
particular de un voltaje sinusoidal aplicado a un condensador perfecto, las
ondas de intensidad de corriente están desfasadas con las de voltaje en 90º. En
la práctica, a
causa de que los dieléctricos son imperfectos, una pequeña cantidad de energía
se disipa y el ángulo de fase entre U e I se hace menor de 90º. (Véase figura).
Al ángulo δ se le
denomina “ángulo de pérdida dieléctrica” y al valor de la tg δ se conoce con el
nombre de “factor de disipación” o “tangente del ángulo de pérdida”.
Si consideramos un
condensador de capacitancia C y frecuencia f al que se aplica un voltaje
U, la pérdida de energía vendrá dada
por:
P = 2 πf CU2 tg δ
Es decir, que la energía
disipada en el dieléctrico es proporcional al ángulo de pérdidas dieléctricas y
al cuadrado del potencial. Esta fórmula es aplicable a las pérdidas eléctricas
disipadas en forma
de calor en un transformador.
El valor cuantitativo de
la tg δ para un aceite dado
aumenta con la temperatura y también con la degradación o envejecimiento del
aceite (unas 100 veces desde 20º C a 90ºC).
En un transformador de
bajo voltaje (hasta 50 kV.) la influencia del ángulo de pérdidas es pequeña,
debido a que el valor del primer término (2πf CU2) es bajo y en consecuencia la disipación de calor en el
dieléctrico es relativamente débil. En estos casos, el aceite del transformador
actúa más como refrigerante que como dieléctrico.
Ahora bien, en transformadores
de alto voltaje (superior a 100 kV.), el primer término adquiere unas
magnitudes considerables, por lo que si se desea mantener una disipación de
calor mínima,
es necesario que el valor de la tangente del ángulo de pérdidas del aceite
fresco sea bajo y su evolución durante el servicio muy pequeña; en caso
contrario se origina un fuerte desprendimiento de calor que eleva la temperatura del aceite y en
consecuencia incrementa el valor de la tangente con lo que se empeora aún más
este fenómeno.
Como índice de la posible
evolución del ángulo de pérdidas de un aceite durante el servicio, se determina
el valor de esta magnitud a 90ºC., antes y después de un ensayo de oxidación a
100ºC durante 164 horas.
En razón de lo anterior,
el concepto de tangente del ángulo de pérdidas y su evolución durante el
servicio es fundamental en aceites destinados a transformadores de alto
voltaje. Por ello, la mayor parte de los fabricantes de transformadores especifican como
límite máximo de la tangente del ángulo de pérdidas del aceite oxidado valores
entre 0.05 y 0.1.
Es costumbre expresar las
pérdidas de un condensador por su factor de potencia (power factor), que viene
dado por la razón entre la potencia disipada en el circuito y la potencia
aparente U · I. En la figura, observamos que para ángulos
pequeños, se cumple:
Power factor = Cos α = Sen δ ≅ Tg δ
Como podemos observar el
efecto directo de una elevada tg δ
es el incremento de la temperatura de trabajo, pero existen además otros efectos
indirectos que pueden ocasionar:
- Incremento de la corrosión metálica.
- Aceleración de la degradación de la celulosa.
- Aumento de la solubilidad y emulsividad del agua
- Incremento de la velocidad de oxidación del aceite.
Todos estos factores
conducen a una serie de fenómenos en cadena que pueden dar lugar a problemas en
el transformador durante el servicio.
Así pues la tangente del
ángulo de pérdidas es la propiedad que más información proporciona acerca de
las características dieléctricas del aceite, por lo que su valor es indicativo
de la calidad
de este, siendo la propiedad normalmente utilizada para la aceptación de un
aceite nuevo y para conocer la calidad dieléctrica de un aceite en servicio.
Para su determinación, se
ponen 40 cm de aceite en un vaso
perfectamente limpio provisto de electrodos separados 2 mm, actuando el aceite
como dieléctrico y el vaso como condensador de un puente de Shering. La medida se hace con corriente alterna a 2000
V. y 50 Hz. y a una temperatura de 90 ºC.
Equipo DIELTEST DTL DE
BAUR para la medida
de la resistividad y la tg δ de los aceites aislantes
Las pérdidas dieléctricas
como criterio de envejecimiento
Dado que el aceite puede fallar como dieléctrico por
inestabilidad térmica cuando las pérdidas dieléctricas son elevadas, interesa
conocer cuáles son las causas que motivan los altos valores de las mismas.
Existen dos criterios, el que hace depender las pérdidas de la calidad original
del aceite, y el que las hace depender de las impurezas disueltas procedentes
de los materiales de construcción del transformador.
Hay autores que las consideran dependientes de la
calidad del aceite o de su envejecimiento, habiendo encontrado relaciones entre
tg δ y el índice de acidez y entre la tg δ y la intensidad de absorción en el
infrarrojo a 1.710 cm-1, en ambos casos en ensayos artificiales de envejecimiento.
Otros autores opinan que estas correlaciones no se
aprecian en aceites envejecidos en servicio y que eliminando los metales
disueltos en el aceite, sobre todo los iones Na y Fe, las pérdidas dieléctricas
se reducen enormemente (la influencia de las sales de cobre es menos
pronunciada), sin que se modifique la intensidad de la banda C=O en el infrarrojo, lo que viene a
significar que las pérdidas no dependen de la calidad del aceite y que el
empleo de inhibidores no disminuirá aquellas.
En realidad parece ser que las pérdidas proceden de
compuestos formador por las combinaciones obtenidas al reaccionar las impurezas
metálicas con moléculas de aceite. De acuerdo con ello las impurezas en primer
lugar, pero también la calidad del aceite y su grado de refino, influirán en la
formación de tales combinaciones y por tanto en las pérdidas.
FUENTE:
Lubricantes CS: Los
aceites aislantes
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