Factor de potencia y tan delta en aceite dieléctrico
Analizamos el factor de potencia o tan delta y la resistividad de aceite dieléctrico aislante hasta 10kV en Monterrey. Hacemos pruebas a doble frecuencia: 45Hz/55Hz, 47.5Hz/52.5Hz, 55Hz/65Hz y 57.5Hz/62.5Hz. Usamos equipos automáticos.
Hacemos distintos tipos de pruebas de factor de potencia, tanto a aceite como a otros líquidos aislantes. Podemos realizar la prueba Tip Up: graficamos la pérdida dieléctrica y la absorción dieléctrica en función de distintos voltajes aplicados, para ver el proceso de ionización, deducir si hay descargas parciales e identificar el envejecimiento del aislamiento de acuerdo con la norma IEEE Std 286-2000.
Qué mide el factor de potencia
El análisis del factor de potencia a aislamientos es una prueba de CA que aplica voltaje y mide la corriente de fuga o pérdida del aislamiento eléctrico. Sirve para evaluar la integridad de cualquier aislamiento eléctrico.
El factor de potencia es el coseno del ángulo de fase entre tensión y corriente. Para un aislamiento ideal, el ángulo de fase es de 90°, y cos(90) = 0. Ningún aislamiento es ideal: a través del aislamiento fluye una pequeña corriente, llamada corriente de fuga, que consta de dos componentes:
- Corriente resistiva.
- Corriente capacitiva.
En condiciones reales, además de la corriente de capacitancia aparece una corriente resistiva (o de pérdida) en fase con la tensión.
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Prueba Tip Up en motores y bornas
En motores, la prueba Tip Top se recomienda para tensiones de estator de 6600 V y superiores, en el estator completo. Da una línea de base para detectar después, en las pruebas de mantenimiento, la descarga de corona dentro del sistema de aislamiento. También se puede especificar en bobinas de sacrificio para pruebas de desarrollo, pero los criterios de aceptación deben acordarse entre usuario y proveedor.
La prueba de punta (Tip Up) del factor de potencia suele realizarse al 10% y 110%, o al 20% y 120%, del rango de tensión de alimentación de línea a tierra. Los resultados se grafican para cada motor y se calcula la desviación porcentual. Si se prueban y comparan varios motores del mismo diseño, los valores deben ser similares. Cualquier motor que se desvíe de forma significativa debe investigarse por posibles problemas en el bobinado o el aislamiento. Es una excelente prueba para determinar contaminación conductiva en un devanado.
Al terminar las mediciones, conviene comparar los valores con resultados anteriores y con los de referencia de las normas correspondientes al activo probado. Un aumento de la capacitancia de más del 10% frente a resultados anteriores normalmente se considera peligroso para las bornas: indica que parte de la distancia de aislamiento ya está comprometida y que el estrés dieléctrico del aislamiento restante es demasiado alto. Una prueba de tip-up adicional de la tensión puede detectar contactos deficientes de las capas de la borna o de la toma de medición, que se reconocen por una disminución del PF/DF.
Las mediciones estándar de PF/DF a 50 Hz o 60 Hz solo detectan los efectos de la humedad y el envejecimiento en una etapa avanzada. Si se mide en un rango de frecuencias más amplio, se detectan antes y hay más tiempo para programar acciones correctivas. Si se detecta un PF/DF alto, el análisis de respuesta dieléctrica sirve como método de diagnóstico adicional: esta medición de banda ancha permite determinar si la causa es humedad o alta conductividad del aceite.
Contaminación por sulfuro de cobre en devanados de transformador
En los últimos años se ha trabajado mucho para determinar si un aceite contiene azufre corrosivo, incluidos los métodos para saber si reaccionará con el cobre y formará depósitos en el papel aislante, y la tendencia de algunos aceites a volverse corrosivos con el tiempo y la temperatura. Hasta ahora, las pruebas de aceite solo informan sobre las características del propio aceite, no sobre si los devanados se han comprometido por depósito de sulfuro de cobre en el conductor o en el papel aislante que lo rodea. Como esta contaminación puede llevar a la falla del transformador por aislamiento comprometido, es muy importante poder evaluar la condición del devanado.
Doble inició un programa de investigación para determinar qué pruebas eléctricas podrían detectar sulfuro de cobre en un devanado. Se emplearon técnicas como DFR (respuesta de frecuencia dieléctrica), SFRA (análisis de respuesta en frecuencia de barrido), reactancia de fuga y mediciones del factor de potencia normal, pero no dieron resultados satisfactorios ni información utilizable como diagnóstico.
Las pruebas de descarga parcial en línea tampoco resultan siempre útiles para alertar de una falla inminente, porque muchos fallos no presentan la gasificación propia de una falla incipiente. En varias investigaciones de fallas, las muestras para DGA tomadas poco antes de la falla (en un caso, el día anterior) mostraron el mismo perfil de gasificación que las anteriores, sin aumento de gases combustibles asociados a descarga parcial.
En la mayoría de los fallos revisados, la contaminación por sulfuro de cobre está muy localizada. La técnica de prueba tendría que estresar el devanado hasta que esa contaminación localizada se viera como una desviación de un valor normal, el obtenido en un devanado no contaminado.
La investigación mostró que una variación de la prueba de factor de potencia de Doble, con voltajes de prueba superiores a 10 kV y hasta 35 kV, dio resultados muy exigentes cuando había sulfuro de cobre, tanto en muestras de investigación como en transformadores reales. Se llamó "prueba de alto voltaje o Tip Top test del factor de potencia".
Qué es la prueba Tip Up del factor de potencia
Si el factor de potencia medido aumenta al subir el voltaje aplicado, se conoce como Tip Up. La experiencia muestra que los transformadores con buen aislamiento no presentan Tip Up. El factor de potencia normal se realiza generalmente entre 2 y 10 kV.
Esta prueba es importante aquí porque la humedad y los subproductos polares no influyen en el Tip Up. Lo causan la descarga, la actividad de descarga parcial o sus subproductos, y materiales conductores como residuos de metales finos y sulfuro de cobre. Por eso es una excelente prueba para determinar contaminación conductiva en un devanado.
Los estudios de laboratorio en condiciones controladas mostraron que el Tip Up del factor de potencia fue el indicador más sensible y distintivo de la contaminación por sulfuros de cobre. Cuanto más grave es el depósito, mayor es el factor de potencia y el Tip Up (figura 1).
En la figura 1, el papel aislante contaminado con distintas cantidades de sulfuro de cobre no requirió más de 10kV para mostrar los efectos de la contaminación en el Tip Up. La línea azul representa un papel no contaminado y muestra una línea recta al subir el voltaje. Las muestras 2 a 4 muestran un aumento del factor de potencia con el voltaje. El aumento (tip-up) se relaciona directamente con la cantidad de sulfuro de cobre: la muestra 4 tiene la mayor contaminación, después la 3, y la 2 tiene la menor.
En experimentos con partes de devanados contaminados, transformadores y reactores, la tensión necesaria para lograr la recuperación del factor de potencia siempre fue superior a 10 kV y hasta aproximadamente 30 kV, según el aparato y la configuración.
Cómo se realiza el Tip Up de alto voltaje
La medición usa varias piezas de instrumentación. Con el Doble M4100 (sistema de medición del factor de potencia) u otros puentes de medición, que sirve solo como instrumento de medición, se opera junto con una referencia externa y fuentes de alimentación.
- La referencia externa, típicamente un capacitor, permite al M4100 medir la tensión de prueba. El M4100 controla el voltaje, muestra el potencial de prueba y lo usa como referencia para calcular los componentes real y reactivo de la corriente medida.
- La fuente de alimentación externa, generalmente un transformador elevador, aporta el potencial de prueba. En modo de muestra a tierra (GST), debe estar diseñada para que sus pérdidas se resguarden. Para que no afecten la medición GST, el plano de protección de la fuente debe permanecer aislado de tierra y conectado al punto de guarda del M4100.
Conclusión
Los transformadores sospechosos de contaminación con azufre corrosivo deben someterse a pruebas de aceite. Además, la condición de los devanados, que es el factor limitante en la contaminación por sulfuro de cobre, puede determinarse con la prueba de Tip Up del factor de potencia de alta tensión. Doble puede proporcionar una nota de aplicación con los detalles de la prueba con el Doble M 4100.
Una vez hechas las conexiones al transformador, la prueba es fácil de realizar y toma solo unas pocas horas. No es necesario modelar el transformador. Los resultados se definen fácilmente e informan si hay o no contaminación conductiva, como el sulfuro de cobre, y dan una indicación relativa de su severidad.