UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA - SEDE CUENCA
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Practica 2: Ensayo de carga y prueba de aislamiento en transformador monofásico. Angel Angel Cumbe, acumbre@u
[email protected] ps.edu.ec u.ec Luis Olmedo, Olmedo, lomed@up
[email protected] s.edu.ec .ec Laboratorio Laboratorio de Maquinas Eléctricas I
Abstract—En este artículo se lleva a cabo la práctica del ensayo del transf transforma ormador dor para para identific identificar ar el rendim rendimient iento o y eficienc eficiencia ia del transformado transformadorr cuando cuando se conecta conecta cargas resistivas, resistivas, cargas capaci capaciti tiva vass y carga cargass indu induct ctiv ivas as,, de las las cual cuales es se reali realiza za un diagrama fasorial de las corrientes y voltajes e impedancias con el fin de comprar con los valores medidos en las pruebas de vacío y cortocircuito. En la segunda parte de la práctica se procede a realiza realizarr la prueba prueba de aislami aislamient ento o del transf transforma ormador dor para la cual se aplica mediciones de tiempo-resistencia para determinar la relación de absorción dieléctrica (DAR) y determinar el estado de aislamiento del transformador.
—Transformador ormador Index Terms—Transf
monofásico, monofásico, ensayo ensayo con carga,
aislamiento.
I. I NTRODUCCIÓN AS caracterí característic sticas as de funcionam funcionamient ientoo de los transfor transfor-mado madore ress camb cambia iann segú segúnn el ti tipo po de carg cargaa que que teng tengaa conectada en el bobinado secundario, esta carga puede ser de origen resistivo, capacitivo o inductivo, esto a la fase entre el voltaje y la corriente lo cual causa cambios en el factor de potencia. Por otra parte, la calidad de estos aislamientos se ve alterada al cabo de los años por las exigencias a las que se someten los equipos. Esta alteración provoca una reducción de la resistividad eléctrica de los aislantes que a su vez da lugar a un aumento de las corrientes de fuga que pueden provocar incidentes cuya gravedad puede tener consecuencias serias tanto para la seguridad de personas y bienes como en los costes por paradas de producción en la industria.
L
II. O BJETIVOS
III. M ARCO TEÓRICO A. Transformador Transformador monofásico
Un transformador convierte potencia eléctrica alterna con un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna con otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético. Consta de dos o más bobinas de alambre conductor enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético común. El devanado primario del transformador se conecta a una fuente de energía eléctrica alterna generalmente de alta tensión y el devanado secundario a las cargas, estos dos devanados interactúan mediante un flujo magnético que causa inducción desde el devanado primario hasta el secundario. B. Transformador Transformador en condición de carga
Cuando el transformador está en condición de carga, el secundario del transformador está conectado a la carga. La carga puede ser resistiva, inductiva o capacitiva. La corriente I 2 fluye a través del devanado secundario del transformador. La magnitud de la corriente secundaria depende de la tensión del terminal terminal V 2 y la impe impeda danc ncia ia de carg carga. a. El ángu ángulo lo de fase entre la corriente secundaria y el voltaje depende de la naturaleza de la carga. C. Funcionam Funcionamient iento o del transformado transformadorr en condición condición de carga carga
La resisten resistencia cia del transfor transformador mador significa la resisten resistencia cia del bobinado primario y secundario del transformador. Y la reactancia de fuga del Transformador significa que hay alguna fuga magnética en los dos devanados que debería ser igual a las bobinas inductivas conectadas en el devanado primario y secundario que se muestra en la figura 1.
A. Objetivos generales •
•
Analizar el diagrama fasorial conectando cargas cargas resistiva, resistiva, inductiva inductiva y capacitiva capacitiva en el secundario del transformador. transformador. Determinar el estado de aislamiento del transformador mediante la prueba de aislamiento.
B. objetivos específicos •
•
•
Comprender el funcionamiento del transformador e identificar el comportamiento del mismo sometido a cargas. (Resistiva, (Resistiva, Capacitiva, Capacitiva, Inductiva). Inductiva). Determinar las mediciones de tiempo resistencia en 60 y 30 segundos para determinar el DAR del transformador. Analiza Analizarr el DAR DAR obt obteni enido do y determ determina inarr el estado estado de aislamiento del transformador.
Fig. 1. Circuito del transformador transformador considerando las resistencias resistencias del bobinado y la reactancia de fuga magnética.
Para realizar el diagrama fasorial para cuando se conecten cargas en el secundario del transformador, es necesario establecer las ecuaciones (1) y (2).
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V 1 = E 1 + I 1 (R1 + jX 1 )
2
(1)
TABLE I E STÁNDAR IEEE 43-2000 PARA EL ÍNDICE POLARIZACIÓN IP Indice polarización
V 2 = E 2 + I 2 (R2 + jX 2 )
(2)
Donde, el R 1 es la resistencia de la bobina primaria, R 2 es la resistencia de la bobina secundaria, X 1 es la reactancia de la bobina primaria, X 2 es la reactancia de la bobina secundaria., I 1 es la corriente en el primario e I 2 la corriente en el secundario. Debido a la presencia de resistencia y reactancia de fuga, se producirá una caída de voltaje en el devanado primario. Si, V 1 es el voltaje primario aplicado entonces, E 1 será el voltaje inducido primario y lo mismo con el secundario. D. Métodos de medición basados en la influencia del tiempo de aplicación de la tensión de ensayo (tiempo-resistencia)
0 < IP ≤ 1 1 < IP ≤ 2 2 < IP ≤ 4 4 ≤ IP
DAR =
Estado del aislamiento Malo Mantenimiento Buen estado Aislamiento quebradizo
Rais60 [seg] Rais30 [seg]
(4)
La DAR se define de la siguiente manera en la tabla 2. TABLE II ESTÁNDAR IEEE 43-2000 PARA EL ÍNDICE EL DAR Valor del DAR
Estado del aislamiento
Los procedimientos de prueba estandarizados que se han Insuficiente DAR ≤ 1.25 1.25 < D AR ≤ 1.6 Bueno empleado por años se benefician con las capacidades perfec1 6 ≤ Excelente estado . DAR cionadas de las pruebas de diagnóstico mejoradas. La más básica de estas es el método tiempo-resistencia. Una propiedad importante del aislamiento, y que debe ser bien comprendida, es que se “carga” durante el curso de una prueba debido al IV. D ESARROLLO DE LA PRÁCTICA movimiento de los electrones como se explicó previamente. Este movimiento de electrones constituye una corriente. Su A. Diagramas fasoriales para el transformador con carga valor como un indicador de diagnóstico se basa en dos resistiva factores opuestos; la corriente se reduce conforme la estructura alcanza su orientación final, mientras que la “fuga” promovida Al aplicarle carga resistiva al transformador, la intensidad I por la humedad o el deterioro pasa una corriente constante de la carga se encuentra en fase con el voltaje de utilización relativamente grande. El resultado neto es que con aislamiento V , al circular corriente por los bobinados se produce la caída en buen estado, la corriente de fuga es relativamente pequeña interna I (R + jX ) que esta adelantada en un ángulo “ Φ” con y la resistencia se eleva continuamente conforme la corriente respecto a la intensidad (corriente). decrece por los efectos de carga y absorción dieléctrica. El aislamiento deteriorado pasará cantidades relativamente grandes de corriente de fuga a una tasa constante según el voltaje aplicado, que tenderá a disfrazar los efectos de carga y absorción. E. Prueba de índice de polarización IP
En esta aplicación de las mediciones basadas sobre la influencia del tiempo de aplicación de la tensión de ensayo, se efectúan dos lecturas a 1 y a 10 minutos respectivamente. La ratio sin dimensión de la resistencia de aislamiento a 10 minutos sobre la de un 1 minuto se llama Índice de Polarización (IP) y permite definir la calidad del aislamiento. IP =
Rais10 [min] Rais1 [min]
(3)
Según el estándar IEEE 43-2000 se considera el estado de aislamiento del transformador mediante la tabla 1. F. Relación de absorción dieléctrica (DAR)
Para instalaciones o equipos que contengan aislantes en los cuales la corriente de absorción disminuye rápidamente, la lectura de las resistencias de aislamiento a los 30 y a los 60 segundos puede ser suficiente para calificar el aislamiento.
Fig. 2. Diagrama Fasorial con carga resistiva.
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B. Diagramas fasoriales para el transformador con carga inductiva
El diagrama fasorial del transformador real cuando se carga inductivamente se puede realizar tomando las siguientes consideraciones. • •
•
•
Se toma el eje del flujo ϕ como referencia Induce fem E 1 y E 2 retrasa con respecto al eje de flujo ϕ en 90 grados. El componente de la tensión V 1 aplicada al primario es igual y opuesto a la fem E 1 inducida en el devanado primario. La corriente en el primario I 1 esta retrado respecto a la tensión V 1 por 90 grados. El factor de potencia de la carga se está retrasando. Por lo tanto, la corriente I 2 se dibuja retrasada a E 2 . La resistencia y la reactancia de fuga de los devanados dan como resultado una caída de tensión y, por lo tanto, la tensión del terminal secundario V 2 es la diferencia de fasor de E 2 y la caída de tensión en el devanado secundario. V 2 = E 2 − I 2 R2 − I 2 X 2 I 2 R2 está en fase con I 2 , mientras I 2 X 2 está perpendicular a I 2 . La corriente total que fluye en el devanado primario es la suma de fasores de de corriente I 1 = I 2 + I 0 . Tensión primaria V 1 aplicada en el primario es la suma de fasor de E 1 y la caída de tensión en el devanado primario. V 2 = E 2 + I 2 R2 + I 2 X 2 . I 1 R1 está en fase con I 1 , mientras I 1 X 1 está perpendicular a I 1 . La diferencia de fases entre V 1 e I 1 es el angulo ϕ1 mienteas la diferencia de fases entre V 2 e I 2 es el angulo ϕ 2 .
•
•
•
•
3
C. Diagramas fasoriales para el transformador con carga capacitiva
Cuando se aplica carga capacitiva a un transformador, la corriente (I) en la carga se adelanta 90º con respecto al voltaje. Esto quiere decir que la corriente se desfasa hacia adelante 90º con respecto al voltaje de utilización (V) este concepto se utiliza para poder desarrollar el diagrama fasorial. El diagrama fasorial del transformador real cuando se carga capacitivamente se puede realizar tomando las siguientes consideraciones. • •
•
•
Se toma el eje del flujo ϕ como referencia Induce fem E 1 y E 2 retrasa con respecto al eje de flujo ϕ en 90 grados. El componente de la tensión V 1 aplicada al primario es igual y opuesto a la fem E 1 inducida en el devanado primario. La corriente en el primario I 0 esta retrado respecto a la tensión V 1 por 90 grados. El factor de potencia de la carga se está adelantado. Por lo tanto, la corriente I 2 se dibuja adelantado a E 2
•
•
•
•
Luego se procede a utilizar el mismo conceto visto para graficar el diagrama con carga capacitiva.
Fig. 4. Diagrama fasorial con carga capacitiva.
Fig. 3. Diagrama fasorial con carga inductiva.
1) Mediciones tomadas en el transformador: Para realizar la medición se conecta una fuente de 120 V en el primario del transformador y en el secundario se conectan cada una de las cargas resistiva, inductiva y capacitiva.
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Fig. 5. Medición del transformador con cargas.
Luego se toman medidas de los voltajes corrientes y potencias en primario y secundario. Para graficar se obtiene el ángulo mediante la ecuación (5) de potencia real, y las reactancias se obtienen a partir del valor capacitivo e inductivo dado en las ecuaciones (6) y (7). ϕ = arccos X C =
P V I
(5)
1
(6)
2πf C
(7)
X L = 2πf L
El resultado de las mediciones en el primario se muestra en la tabla 3. TABLE III M EDICIONES DEL TRANSFORMADOR EN EL PRIMARIO Carga R1 = 1.2[K Ω] R2 = 600[Ω] R3 = 300[Ω] L1 = 3 .2[H ] L2 = 1 .6[H ] L3 = 0 .8[H ] C 1 = 2.2[F ] C 2 = 4.4[F ] C 3 = 8.8[F ]
V 1 [V]
I 1 [A]
P 1 [W]
119.9 120.3 1 19.7 120 119.6 119.5 119.7 120.7 120.8
0.053 0.076 0.0125 0.050 0.062 0.123 0.025 0.043 0.091
5.7 8.6 14.5 3 3.1 4.2 2.7 2.8 3
El resultado de las mediciones en el secundario se muestra en la tabla 3. TABLE IV M EDICIONES DEL TRANSFORMADOR EN EL SECUNDARIO Carga
V 2 [V]
I 2 [A]
R1 = 1 .2[K Ω] R2 = 600[Ω] R3 = 300[Ω] L1 = 3.2[H ] L2 = 1.6[H ] L3 = 0.8[H ] C 1 = 2.2[F ] C 2 = 4.4[F ] C 3 = 8.8[F ]
60.7 60.3 60 60.7 60.6 60.8 61.9 61.9 62.6
0.050 0.097 0.195 0.041 0.065 0.189 0.056 0.111 2.17
[W] 2.8 5.6 11.2 0.2 0.2 1.2 0.2 0.1 0.1
P 2
D. Prueba de aislamiento (tiempo-resistencia) para determinar el DAR
Para realizar la prueba se conecta los terminales del medidor de aislamiento a los alterna a los terminales del transformador primario-tierra, secundario-tierra y primario-secundario.
Fig. 6. Diagrama fasorial con carga capacitiva.
Tomando en cuenta que se pretende terminar el DAR del transformador, se tiene que realizar prueba de tiemporesistencia para medir la resistencia de aislamiento para 30 segundos y para 60 segundos, para las tres conexiones, los datos obtenido se presentan el la tabla 5. TABLE V M EDICIONES DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO 1000V de tensión aplicada primari-tierra secundario-tierra primari-secundario
Rais30 [GΩ]
Rais30 [ GΩ]
1.45 2.08 2.80
1.41 2.20 3.19
DAR 0.97 1.06 1.14
Los valores del DAR indican que el estado de aislamiento del transformador es insuficiente por lo que habrá que realizar mantenimiento o reparación del transformador. V. CONCLUSIONES Las principales diferencias entre los diagramas fasoriales son los ángulos a los cuales se proyectan, esto afectan al factor de potencia y por ende a la potencia real y reactiva del transformador, en el mundo laboral es mucho más común que se utilicen cargas inductivas que son producidos principalmente por motores. Por otra parte, el estado de aislamiento del transformador no es suficiente de acuerdo a los valores del DAR pero puede ser necesario solamente un mantenimiento para corregir esta falla de aislamiento. VI. R EFERENCIAS [1] A. Gray and P. Lincoln, Electrical machine design. New York: McGraw-Hill Book Company, Inc., 1926. [2] J. Cathey, Electric machines. Boston: McGraw-Hill, 2001.
