Medición de la capacitancia y de la tangente δ en aisladores de A.T.

 

1.- Medición de la capacitancia y de la tangente δ en aisladores de A.T.

En esta medición, los términos tangente delta, tan δ, factor de potencia y factor de disipación se pueden utilizar indistintamente.

1.1.- Equipo de pruebas

1.1.1.- Puente de medición:

El puente de medición debe ser del tipo brazo de proporción del transformador.

Puentes de este tipo están disponibles en diversos modelos creados por diferentes fabricantes. Ejemplos de puentes de medición son:

Fabricante                                     Modelo

Doble Engineering Company        M2H

Tettex Instruments                        2088

Tettex Instruments                 2805 Se puede utilizar con buenas condiciones de interferencias

Multi-Amp Corporation                 CB-100 Sólo para bajas tensiones (30 V)

En cuanto a la manipulación del puente, deberá consultarse el manual del fabricante.

Para conectar el cable de medición a la toma para pruebas en algunos aisladores deberá utilizarse un adaptador especial. Este adaptador se describe en la información de producto de cada tipo de aislador.

Fuente de tensión:

Para medir el factor de disipación, debe haber disponible una fuente de tensión, ya sea incorporada en el equipo de medición o independiente de éste. La tensión se debe poder ajustar a 10 kV como mínimo y, siempre que sea posible, sin armónicos. Para evitar problemas durante el ajuste del indicador cero, la tensión debe estar sincronizada con la tensión de la central.

Medición con instrumentos digitales:

Si únicamente se debe medir la capacitancia C₁, y se acepta una precisión de ±3%, puede utilizarse un método más sencillo. Este método, que se describe más adelante, únicamente requiere una fuente de tensión de 400 V/2 A, dos instrumentos digitales y una resistencia de 10 kW/10 W.

1.1.2.- Procedimiento de medición

Al comprobar un aislador con una toma para pruebas capacitiva, es decir, prácticamente todos nuestros aisladores, no es necesario desconectar la parte superior del aislador. Basta con abrir el conmutador de desconexión.

Por motivos de seguridad y para reducir la influencia de la inductancia del devanado, todos los devanados del transformador deberán estar cortocircuitados. Los devanados que no estén conectados al aislador que se va a comprobar, deberán estar conectados a tierra. Consulte la Fig. 1.

El puente deberá colocarse sobre una base sin vibraciones. Si el condensador de referencia es una unidad independiente, deberá colocarse sobre una base de aislamiento seca.

Dependiendo del aislamiento que se vaya a comprobar, la fuente de tensión (tensión de prueba) deberá conectarse mediante cables independientes a la parte superior del aislador o a la toma para pruebas capacitIvas. Los cables para la tensión o puesta a tierra de prueba no deben ser los mismos que para la medición. Los cables de medición deberán ser lo más cortos posible y no deben entrar en contacto con objetos conectados a tierra. Las bandas o cadenas utilizadas como separadores deberán estar secas y limpias. Lo mismo se aplica al objeto que se va a someter a la prueba. Si el aislador se encuentra en su caja de transporte, no deberá estar rodeado de material de relleno húmedo. La toma para pruebas deberá estar limpia y seca.

En condiciones de humedad puede que sea necesario secar la toma para pruebas para poder obtener lecturas representativas del valor tan δ en C₂. Para secar la toma puede utilizarse un secador de aire. Para obtener una medición correcta del valor tan δ en C₁, es indispensable limpiar el alojamiento del aislador en el lado del aire.

Fig. 1. Comprobación de los aisladores en el emplazamiento utilizando el métodoUST (prueba con espécimen sin conexión a tierra).

1.1.2.1.- Prueba del factor de disipación

Se presupone que el aislador que se va a comprobar está equipado con una toma para pruebas capacitivas. Del mismo modo, se presupone que el puente que se está utilizando puede realizar mediciones sin conexión a tierra, de acuerdo con el método UST (Ungrounded Specimen Test - Prueba con espécimen sin conexión a tierra). De esta forma, la influencia del transformador en el resultado de la prueba (tan δ) es mínima. La prueba deberá llevarse a cabo a la máxima temperatura posible.

El terminal de puesta a tierra del puente deberá estar conectado con el terminal de puesta a tierra del transformador. Cuando se realicen las mediciones en un aislador sin montar, la brida deberá conectarse a tierra. Para poder comparar el resultado de la prueba con el valor de la placa de datos o con el informe de pruebas de rutina incluido con cada aislador, el factor de disipación deberá medirse a 10 kV.

El procedimiento de medición deberá comenzar con una sensibilidad baja en el puente. A continuación, la sensibilidad deberá aumentarse gradualmente hasta el máximo posible. En casos excepcionales, las interferencias externas pueden dificultar el ajuste a cero del detector. En caso de no poder eliminar la interferencia, deberá reducirse la sensibilidad. En la Tabla 1 se muestran las conexiones que se deben realizar para medir el factor de disipación de los distintos aisladores. Debe tenerse en cuenta que la mayoría de los puentes obtienen el factor de capacitancia y el de disipación en la misma operación.

Tabla. 1. Conexiones para las distintas mediciones. Se utiliza la nomenclatura de Doble Engineering.

CL = Conductor central

Toma = Toma para pruebas capacitivas

C₁ = Aislamiento principal

C₂ = Aislamiento de la toma

UST = Medición sin conexión a tierra (Prueba con espécimen sin conexión a tierra)

GST = Medición con conexión a tierra (Prueba con espécimen con conexión a tierra)

Protección = En esta posición se omite C₁ y sólo se mide C₂. Este método no puede emplearse en todos los puentes.

Nota A = Las pruebas 2, 3 y 4 no deben realizarse con tensiones superiores a 500 V si el aislamiento de la toma para pruebas se comprobó con 2 kV. Si la toma para pruebas se comprobó con 20 kV, podrán utilizarse 2,5 o 5 kV.

Se recomienda realizar siempre la prueba 1. La prueba 2 deberá realizarse si el resultado de la prueba 1 indica una desviación. La capacitancia C₂ se puede calcular restando el valor de C₁. Las pruebas 3 y 4 sirven como pruebas de sondeo en caso de que las pruebas anteriores indiquen la posible existencia de una avería. El factor de disipación, medido en la prueba 4, debe compararse con los valores medidos en la prueba 1. La prueba 5, junto con las pruebas 1 y 2, se deben realizar en aisladores desmontados.

Corrección de la temperatura:

Deberá corregirse la temperatura del valor tan δ medido de acuerdo con el factor de corrección indicado en la Tabla 2. GOx representa a todos los aisladores de condensador con papel impregnado de aceite (OIP) y GSx representa a todos los aisladores de condensador impregnados de resina (RIP). En todos los aisladores deberá tenerse en cuenta que el aislador tiene la misma temperatura que el aceite del transformador. La prueba deberá llevarse a cabo a la máxima temperatura posible. La corrección deberá realizarse a 20 °C. El factor de disipación corregido (tan δ) deberá compararse con el valor de la placa de datos o con el del informe de pruebas.

 

Tabla 2. Factores de corrección para el valor tan δ

1.1.2.2 Prueba de capacitancia

Prueba de capacitancia utilizando un puente

La Fig. 2 muestra el principio de la medición de la capacitancia.

 

Fig. 2. Diagrama principal de la prueba de capacitancia en aisladores

instalados en el transformador 

La medición deberá llevarse a cabo de acuerdo con las partes aplicables de la Tabla 1.

La capacitancia del transformador C T a tierra puede influir en la medición. En la mayoría de los casos esta capacitancia es mínima y generalmente genera un error insignificante. Sin embargo, una desviación entre los aisladores individuales de las tres fases puede indicar una influencia por parte del transformador.

Prueba de capacitancia utilizando instrumentos digitales:

Este método puede dar un error de medición relativamente grande (aprox. ±3%) y se puede utilizar únicamente para medir la capacitancia principal C₁. Sin embargo, la sensibilidad a las perturbaciones es inferior a la del método con puente, y la posible influencia de la capacitancia del transformador queda eliminada.

El circuito de prueba se muestra en el diagrama principal de la Fig. 3.

 

Fig. 3. Diagrama principal de la prueba de capacitancia utilizando instrumentos

digitales. 

La conexión eléctrica de las resistencias R₂ debe ser buena. El terminal opuesto N del devanado del transformador puede dejarse abierto o conectado a tierra. Si se deja abierto, tomará la misma tensión que la parte superior del aislador. Si se conecta a tierra, la fuente de tensión podría sobrecargarse.

Para medir la tensión U₁ y U₂ se pueden emplear instrumentos digitales del tipo Fluke 8020 o equivalentes. Debe tenerse en cuenta que los instrumentos digitales no funcionan correctamente a temperaturas inferiores a 0 ºC. Si se utilizan con temperaturas inferiores a 0 ºC, deberá aplicarse calefacción a los instrumentos.

Aumentar la tensión U₁ de la fuente de tensión hasta que U₂ alcance un valor que no sea inferior a 100 mV_rms. U₁ puede encontrarse entre 200 y 400 V_rms. Obtener la lectura de los valores U₁ y U₂ y calcular la capacitancia C₁ de acuerdo con la fórmula siguiente.

1.1.3.- Interpretación de la medición

Comentarios sobre el factor de disipación en aisladores OIP:

El factor de disipación es una propiedad muy importante de los aisladores del núcleo de condensadores cargados de aceite. Este factor se determina principalmente mediante el nivel de humedad del papel y la cantidad de contaminantes del sistema de aislamiento. Además, el factor de potencia también depende en gran medida de la temperatura. El comportamiento principal con distintas temperaturas y distintos niveles de humedad se muestra en la Fig. 4 siguiente.

Fig. 4. Tan δ como función del nivel de humedad y temperatura en aisladores OIP. 

Como puede apreciarse claramente, las mediciones a temperaturas elevadas son mucho más sensibles. A temperaturas de 20 °C, niveles de humedad entre 0,1% y 1% indican aproximadamente el mismo factor de disipación. A temperaturas elevadas (90  °C) difieren en un factor de 5 o más. La conclusión de todo ello es que la propiedad importante es el factor de disipación a temperatura elevada y no el factor de disipación a 20 °C. En el aislador, los factores importantes relacionados con el factor de disipación son:

1) Un factor de disipación que es constante con la temperatura durante todo el ciclo de vida del aislador.

2) Un factor de disipación que permanece constante durante todo el ciclo de vida del aislador.

Para los fabricantes de aisladores del núcleo de condensadores, el objetivo es lograr el factor de disipación correcto. El efecto de los contaminantes sobre el factor de disipación se evita mediante el adecuado control de los materiales, así como mediante el mantenimiento de una absoluta limpieza en los talleres. El contenido de humedad en el aislador se determina mediante la técnica de devanado y el proceso de secado del núcleo del condensador

El procedimiento estándar en la fabricación de aisladores consiste en envolver el núcleo del condensador con el papel sin necesidad de realizar ninguna operación de secado. De esta forma se logra un contenido de humedad en el núcleo del condensador de aproximadamente 4-8 %. A continuación, el núcleo se seca mediante un proceso de secado independiente que consiste en aplicar calor y vacío hasta que se haya logrado el secado suficiente. Puesto que el agua fluye axialmente, existe la necesidad de secar el núcleo con extremo cuidado para evitar que el agua quede atrapada en el centro del núcleo. ABB suele secar el papel al mismo tiempo que envuelve el núcleo del condensador. Al hacerlo, se logra que el núcleo del condensador esté totalmente seco y que, por lo tanto, no sea necesario aplicar ningún otro proceso de secado. La ventaja es que, de este modo, la humedad no queda atrapada en el centro del núcleo. Además, también se limita el tiempo de secado, con lo que el desgaste del papel es mínimo.

Las normas ANSI y IEC para aisladores requieren la medición del factor de disipación a temperatura ambiente como prueba de rutina en aisladores nuevos. Durante la realización de la prueba de rutina normal, se vigila no sólo el nivel del factor de disipación, sino también el cambio de tensión, ya que éste podría ser un indicativo importante de que el aislador está contaminado. Además de todo lo anterior, ABB cada dos meses, toma un aislador de la producción normal y lo introduce en un horno a 90 °C. Transcurridas 24 horas, se mide el factor de disipación. De acuerdo con sus normas internas, el valor debe cumplir los mismos requisitos a 20 °C.

Durante los últimos 25 años, ABB Components utiliza únicamente celulosa pura con láminas de aluminio y aceite aislante en sus núcleos de condensador. La experiencia ha demostrado que el factor de disipación permanece totalmente constante a lo largo de los años. Como se puede deducir a partir de la documentación existente, es bien sabido que algunos tipos de adhesivos influyen negativamente en la duración del aislador y, como consecuencia, provocan el aumento del factor de disipación. El hecho de que se utilice “materias primas puras“, un proceso perfectamente controlado y un exhaustivo sistema de comprobación, unido todo ello a una larga experiencia en el sector, permite tener la seguridad de que el nivel de tan δ de los aisladores se mantendrá constante durante todo el ciclo de vida del aislador.

Comentarios sobre el factor de disipación en aisladores RIP:

Al medir el valor tan δ en aisladores RIP antes de su puesta en servicio, debe observarse una desviación del valor tan δ respecto al valor indicado en la placa de identificación. Probablemente, la causa de que esto ocurra sea la penetración de humedad en la capa superficial del aislador RIP. Por ejemplo, esto puede ocurrir si el aislador se ha almacenado sin su bolsa de protección hermética, permitiendo la entrada de aire con altos niveles de humedad en la capa superficial externa del aislador.

Generalmente, si el aislador se almacena durante una semana en una sala protegida en la que la humedad esté controlada, el valor tan δ volverá a su valor inicial indicado en la placa de identificación. Si se conecta el transformador cuando el aislador se encuentra en servicio, el valor disminuirá en un par de horas.

Debe leerse y aplicarse las medidas sugeridas en la siguiente sección:

Medidas para distintos valores de temperatura corregida en aisladores OIP y RIP:

Aumento de 0-25%:

El valor se mide para su registro. No es necesario aplicar ninguna otra medida

Aumento de 25-40%:

Se revisan las fugas y las interferencias externas en el circuito de medición. Las interferencias externas pueden deberse, por ejemplo, a la influencia ejercida por equipos portadores de corriente y barras colectoras cercanas. Si no se elimina la diferencia, deberán sustituirse (debido a la humedad) las juntas de los tapones de nivel de aceite de acuerdo con la información de producto del aislador. El valor medido se introduce en el registro y el aislador puede ponerse en servicio.

Aumento de 40-75%:

Las mismas medidas que en el apartado anterior, salvo que la medición deberá repetirse una vez al mes.

Aumento superior al 75%:

El aislador deberá retirarse del servicio. Sin embargo, si el factor de disipación es inferior al 0,4%, el aislador podrá ponerse en servicio aunque el aumento en el porcentaje respecto a un valor inicial bajo sea superior al 75%.

Comentarios sobre las mediciones del factor de potencia entre la toma para pruebas y la brida de montaje en aisladores OIP y RIP:

Algunos usuarios también utilizan la capacitancia (C₂) y el factor de disipación del aislamiento de la toma como una herramienta de diagnóstico. Sin embargo, y basándose en la experiencia, se recomienda encarecidamente no seguir dicha práctica. Existen diversas razones para no utilizar estos valores como herramientas de diagnóstico.

- En primer lugar, este factor de disipación debe ser inferior al 5% según la norma IEC 60137. Esto significa que, a menos que se especifique lo contrario, no se presta ninguna atención a la reducción de dicho valor hasta el mismo nivel que el factor de disipación del aislamiento principal.

- La toma para pruebas está conectada a la capa exterior con toma a tierra del cuerpo del condensador. La capa sólida del exterior de la capa conectada a tierra contiene adhesivo y celulosa para hacer que el cuerpo del condensador sea más estable. Esto significa que la contribución al factor de disipación por parte de dicha capa difiere de la de la celulosa pura del aislamiento principal. También significa que esta capa no se puede utilizar a efectos de diagnóstico, puesto que el adhesivo puede influir de distintas formas en el factor de disipación de los distintos aisladores.

También debe tenerse en cuenta que, durante el funcionamiento, la capa exterior está conectada a tierra. Por lo tanto, el aislamiento entre la capa exterior y la brida de montaje no está sometido a un campo eléctrico y, como consecuencia, no provoca ninguna pérdida de calor dieléctrica. Es probable que si el aislador se encuentra en áreas contaminadas, los contaminantes del exterior de la toma para pruebas influyan en los resultados. La humedad de la toma para pruebas también puede afectar a la medición.

Del mismo modo, deberá tenerse en cuenta que si se excede la tensión de prueba (500 V si el aislamiento de la toma para pruebas se entrega comprobado a 2 kV; y de 2,5 a 5 kV si la toma para pruebas se entrega comprobada a 20 kV), puede producirse una descarga parcial en la región de la toma para pruebas, lo cual también podría afectar a la medición.

- Tomando en consideración todas las variaciones descritas, el valor tan delta en el aislamiento de la toma para pruebas suele oscilar entre el 0,4 y el 3,0%.

Capacitancia:

La capacitancia medida C₁ debe compararse con el valor indicado en la placa de datos del aislador o con el informe de pruebas de rutina de 10 kV. Si la medición indica un aumento de más del 3% (que podría indicar una descarga dieléctrica parcial) comparado con el valor medido en fábrica, o un valor extremadamente bajo (disrupción C₁ bajo) podría indicar un avería producida durante el transporte, por lo que el aislador no deberá ponerse en servicio. La forma en la que el aislador se instala en el transformador influye sobre el valor C₂, por lo que este valor no deberá utilizarse como herramienta de diagnóstico.

 

 

FUENTE:

ABB: Diagnóstico y acondicionamiento de aisladores

 

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