Procedimiento Tangente Delta

PRUEBA DE TANGENTE DELTA(FACTOR DE POTENCIA Y TIPTIP-UP) DEL DEVANADO DEL ESTATOR

CÓDIGO: CÓDIGO PQUIT-001 VERSION: 01 FECHA ACT: 11-Sep/15

ENSAYO DE TANGENTE DELTA INCREMENTO DE CAPACITANCIA Y TIP-UP

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Contenido 1

TEORÍA ....................................................................................................................................................... 3 1.1

Influencia de los materiales del aislamiento en el factor de potencia. ...................... 3

1.2

Causas comunes del incremento del factor de potencia. ............................................... 5

1.3

Efecto de la temperatura............................................................................................................. 5

1.4

Factor de potencia Tip-Up .......................................................................................................... 5

1.5 Efectos del volumen de aislamiento en el resultado de la prueba del Factor de potencia Tip-Up .......................................................................................................................................... 6 1.6

Efectos de la cinta gradiente en el resultado de la prueba de Tip-Up ....................... 7

2

OBJETIVOS ................................................................................................................................................ 7

3

PRECAUCIONES ...................................................................................................................................... 7

4

PREPARACIÓN DE LA PRUEBA .......................................................................................................... 8

5

PROCEDIMIENTO ................................................................................................................................... 9 5.1

En Modo GST (Grounded Specimen Test) ............................................................................ 9

5.2

En Modo UST (Ungrounded Specimen Test) ....................................................................... 9

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CRITERIOS DE DECISIÓN .................................................................................................................. 10

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REGISTROS Y DOCUMENTOS ......................................................................................................... 11

8

BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................... 11

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1 TEORÍA Cuando se aplica una tensión al aislamiento del estator de un generador, la corriente total que fluye a través del aislamiento es similar a la de un capacitor. Esta corriente posee dos componentes: una corriente relativamente grande Ic que adelanta 90º a la tensión aplicada, y una pequeña corriente Ir la cual está en fase con el voltaje aplicado.

Figura. 1.Componentes de la corriente que fluye a través del aislamiento

El factor de potencia dieléctrica se define como: Es la medida de las pérdidas dieléctricas en el aislamiento.

cosθ =

Ir E (Ir ) Watts = = It E (It ) Volts * Amper Ecuación 1

Como el índice de polarización, esta es una cantidad adimensional la cual facilita la comparación entre diferentes volúmenes de aislamiento. El factor de potencia se expresa en porcentaje. Por ejemplo el factor de potencia para un aislamiento del tipo epoxi-mica es típicamente alrededor de 0.5 % y para un aislamiento asfáltico es alrededor del 3%. El factor de Potencia es una propiedad del aislamiento eléctrico, y es generalmente deseable que sea muy bajo. Pero el hecho que posea altas pérdidas dieléctricas no necesariamente implica que el aislamiento este deteriorado.

1.1 Influencia de los materiales del aislamiento en el factor de potencia. Los valores de factor de potencia en el aislamiento por encima del 25 % del voltaje de fase del generador son influenciados por la resistividad volumétrica del aislamiento y por la resistencia de

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contacto entre la superficie del aislamiento y la ranura del estator. La resistividad volumétrica es en gran parte función del material que sirve de soporte mecánico a la mica en hojuelas o en polvo (papel, nylon, fibra de vidrio), y el material que aglomera o adhiere estas capas (barniz, asfalto, poliéster o resina epóxica). La resistencia de contacto es función del material en la superficie de la bobina, tal como el revestimiento de las ranuras en devanados viejos, compuestos en fibra de vidrio, asbesto y compuestos semiconductores en devanados más modernos. La pintura (usualmente compuesta de grafito) posee una resistividad de varios miles de ohms por cuadro y es comúnmente aplicada en la superficie de la armadura para asegurar un buen contacto con la ranura. La mayoría de sistemas de aislamiento tienen una pintura superficial que gradúa la tensión justo a la salida de la barra en la ranura del estator cuando la diferencia de potencial entre bobinas supera los 11 KV de línea a línea. Ver siguiente figura:

Figura. 2. Ubicación en la barra de las pinturas semiconductora y gradiente

El propósito de esta pintura gradiente es prevenir la concentración de tensión en la superficie de la bobina adyacente a la ranura, la cual produce la descarga superficial.

Figura. 3. Concentración de campo en la bobina a la salida de la ranura.

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1.2 Causas comunes del incremento del factor de potencia. El incremento en las mediciones del factor de potencia a voltajes relativamente bajos puede ser debido al envejecimiento del tipo de papel o al material aglomerante. El envejecimiento conduce a la reducción de la rigidez física, estiramiento de la cinta, delaminación y finalmente creación huecos (vacíos). En estos casos, se puede esperar un incremento en la absorción dieléctrica. El incremento en el factor de potencia también puede ser debido al incremento de la resistencia de contacto entre la bobina y la ranura combinadas con el deterioro de la pintura de grafito. El incremento en la resistencia de contacto es indeseable ya que se crean altas diferencias de potencial en ciertas áreas de la superficie de la bobina y generan descargas de ranura, las cuales erosionan la superficie exterior del aislamiento. Además tal incremento en la resistencia de contacto se disfraza en la condición de un mejor aislamiento.

1.3 Efecto de la temperatura Se debe notar que el factor de potencia para el aislamiento de un devanado del estator varia directamente con la temperatura, pero depende del material involucrado. Es deseable que las medidas se realicen dentro de un rango pequeño de temperatura, es decir que permita la comparación entre valores del factor de potencia a diferentes máquinas y en diferentes ocasiones para la misma.

1.4 Factor de potencia Tip-Up Se puede obtener información adicional sobre la condición del aislamiento al determinar el incremento del factor de potencia entre el 25 % y el 100 % del rango de voltaje de línea a tierra nominal. Este incremento en el factor de potencia es comúnmente referenciado como el “Factor de potencia Tip-Up”. El incremento en el factor de potencia es función del voltaje y se considera usualmente como debido a la ionización del gas en los huecos del aislamiento.

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Figura. 4. Comportamiento de las bobinas ante la presencia de huecos.

Después de cierto límite en el incremento de la tensión aplicada al devanado, los huecos experimentan descargas parciales. Estas a su vez emiten luz y calor que al reaccionar con el oxígeno forman ozono de olor muy característico. Este consumo de energía incrementa las pérdidas eléctricas en el devanado, lo que incrementa el factor de potencia. Entre más grande es el factor de potencia con el incremento de la tensión, mayor es la actividad de descarga parcial y peor es la condición del devanado. La prueba de Tip Up es por lo tanto una medida directa de la actividad de las descargas parciales. Las descargas parciales erosionan gradualmente los vacíos en el material de adherencia, de esta manera se remueve el soporte físico para la mica la cual se pulveriza por las descargas y la vibración física. Aunque las áreas dañadas son comúnmente cercanas al cobre, y en el caso de bobinas multi espira, entre espiras el resultado de este deterioro son las fallas a tierra. La prueba de Tip-Up es sensitiva a las descargas por delaminación y descargas en cabezales de bobina.

1.5 Efectos del volumen de aislamiento en el resultado de la prueba del Factor de potencia Tip-Up Para un devanado montado en el estator es conveniente realizar la prueba de Tip-Up a circuitos completos o toda la fase. Las pruebas de factor de potencia y factor de potencia Tip –Up determinan valores promedios del aislamiento bajo prueba, si el asilamiento bajo prueba no está en condiciones uniformes, la sensibilidad de la medida en áreas que contienen una cantidad significante de huecos es muy reducida. Por tanto el factor de potencia no responderá a la peor área del aislamiento, ya que una alta corriente por una bobina deteriorada de un devanado puede ser reducida por un alto número de bobinas buenas, las cuales individualmente tienen una baja componente en fase.

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1.6 Efectos de la cinta gradiente en el resultado de la prueba de Tip-Up La capa de Gradiente (control de descarga, carburo de silicio), se refiere a la capa especial en la superficie de la bobina que se encuentra a la salida de la barra en la ranura del estator, tiene una función similar a los conos de alivio y para alisar el campo eléctrico. Esta capa se requiere en las máquinas de tensiones de línea a línea de 6.6 KV y superiores y su efecto es reducir actividad de la descarga parcial en la salida de la ranura. La capa gradiente es hecha comúnmente de un material con una característica resistiva no lineal. Como el voltaje en la barra o bobina se incrementa, las pérdidas de potencia en la capa cambian uniformemente más rápido. Esto es normal y deseable, infortunadamente la medida de Tip Up causado por el estrés en esta capa de gradiente puede dominar la lectura y por lo tanto esta prueba puede ser errada en devanados de alta tensión. En fábrica se realizan pruebas de control de calidad, las cuales eliminan los errores introducidos por la capa de Gradiente.

2 OBJETIVOS •

• •

Detectar imperfecciones en la estructura del aislamiento, ocasionados en la mayoría de los casos por defectos en la colocación del aislamiento, golpes esfuerzos electromecánicos o fabricación. Identificar la presencia de vacíos en el aislamiento, que presenten descargas parciales. Detectar la presencia de humedad, contaminantes y efecto corona en el aislamiento del estator de las máquinas.

3 PRECAUCIONES • •

•

La temperatura del devanado debe estar unos grados sobre el punto de condensación del agua para evitar la concentración de humedad en el aislamiento del devanado. Es necesario desconectar la máquina de los terminales, y abrir el neutro para que cada fase sea completamente aislada. Así probando cada fase individualmente se da una comparación entre fases que será útil para evaluar y cualificar la condición del devanado. Los terminales de conexión, cables, interruptores, condensadores, pararrayos, y otro equipo externo pueden influir en un marcado grado la lectura de la prueba. Así pues es deseable medir el factor de potencia de un devanado sin intervención del equipo externo de la máquina.

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PRUEBA DE TANGENTE DELTA(FACTOR DE POTENCIA Y TIPTIP-UP) DEL DEVANADO DEL ESTATOR • •

•

• •

• •


Se debe proteger los cables desconectados y conservar distancias para realizar chequeos libres de efecto corona que afectan mucho las medidas. Los cables que unen la fuente de tensión con los devanados no deben tener contacto con tierra o entre sí. De otra manera la corriente de fuga y las pérdidas por efecto corona pueden introducir errores en los datos de la prueba. Un factor importante en la medida es que el núcleo del estator debe ser aterrizado. Por lo tanto los instrumentos deben estar en capacidad de trabajar con dispositivos aterrizados. Antes de efectuar la medida de resistencia de aislamiento se debe verificar la calibración de los elementos de medida que se usen. Según la norma IEEE Std 286™-2000(R2012) los voltajes recomendados para determinar el factor de potencia Tip-Up son 25% y 100% del voltaje fase-tierra de operación de la máquina para el cual la bobina fue diseñada. Es esencial que el potencial aplicado sea constante para prevenir que la corriente de carga fluctúe e interfiera en la medición. Después de realizada una medida de resistencia de aislamiento a un devanado, éste debe quedar sólidamente conectado a tierra, para eliminar las cargas almacenadas debido a la capacitancia geométrica y a la absorción. La eliminación de las cargas acumuladas en los devanados se realiza como medida de seguridad y para garantizar que las cargas acumuladas no afecten la exactitud en las futuras medidas. El tiempo de conexión a tierra debe ser un mínimo de cuatro veces el tiempo de carga.

4 PREPARACIÓN DE LA PRUEBA •

• • • •

•

La prueba de factor de potencia y Tip Up requiere una fuente de alimentación de alto voltaje de AC libre de descargas parciales para energizar el devanado por encima del voltaje de fase nominal. Puede ser necesario una fuente de alimentación superior a 50 kVA para grandes motores y generadores. La superficie del aislamiento debe estar limpio y seco. Verificar la limpieza y amarres del estator. Aterrizar todos los elementos de medida que puedan verse afectados por la prueba. Alrededor del estator a una distancia de por lo menos un metro, debe de colocarse una barrera (Cinta de seguridad) que límite el área de prueba como una zona restringida para quienes no estén participando en la prueba. Verificar cuidadosamente el circuito de prueba.

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•


Para grandes máquinas se debe de disponer estratégicamente de varias personas que observen atentamente los devanados durante la realización de la prueba. Estos deben conocer las características de una falla (Chispa, ruido o humo). Todo el personal debe conocer el momento exacto en que comienza la prueba, las precauciones a tener y la tensión que se va aplicar.

5 PROCEDIMIENTO El diagrama de conexión es el siguiente:

Figura. 5. Circuito de prueba

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La secuencia a seguir durante la medición es la siguiente:

5.1 En Modo GST (Grounded Specimen Test) a) Terminal LÍNEA del E quipo (Cable negro) energiza la fase A, fases B (Rojo) y C (Azul). b) Terminal LÍNEA del E quipo (Cable negro) energiza la fase B, fases A (Rojo) y C (Azul). c) Terminal LÍNEA del E quipo (Cable negro) energiza la fase C, fases A (Rojo) y B (Azul).

5.2 En Modo UST (Ungrounded Specimen Test) a) Terminal LÍNEA del E quipo (Cable negro) energiza la fase A, fase C cortocircuitada y aterrizada, fase B en terminal UST. b) Terminal LÍNEA del E quipo (Cable negro) energiza la fase B, fase A cortocircuitada y aterrizada, fase C en terminal UST. c) Terminal LÍNEA del E quipo 1 (Cable negro) energiza la fase C, fase B cortocircuitada y aterrizada, fase A en terminal UST.

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6 CRITERIOS DE DECISIÓN 6.1

Los valores de factor de potencia y Tip-Up pueden ser comparados entre fases, y con resultados de pruebas anteriores, siempre y cuando se hallan realizado bajo condiciones similares.

6.2

Según recomendación de la “Doble Engineering Company” [3]. El factor de potencia en máquinas con aislamiento clase F debe ser del siguiente orden: FACTOR DE POTENCIA F.P. < 1.0% F.P. < 1.5% F.P. < 2.0%

TENSIÓN DE LA MÁQUINA EN Kv 13.8 - 14.4 Kv 15 - 18 Kv 19 - 26 Kv

6.3

Para generadores con aislamiento clase B (Mica - Asfalto) el F.P. debe ser menor o igual al 4.0%.

6.4

El autor J.H. Walker [4], observa los siguientes límites como máximo valor absoluto de tanδ.

i. ii.

Para bobinas con aislamiento de asfalto, a la tensión Vn Para bobinas con aislamiento epóxico. a. A 0.2*Vn b. A Vn c. tan δ (0.6 V 0.2 V) d. tan δ (0.8 V 0.6 V)

0.08 0.02 0.035 0.005 0.005

Donde Vn es la tensión nominal de la máquina. 6.5

El Tip-Up para los Generadores Sincrónicos debe ser: Tip-Up < 1.0%.

6.6

Si el Tip-Up es negativo se considera que el aislamiento se encuentra en mal estado.

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7 REGISTROS Y DOCUMENTOS •

Formato de prueba de Tangente Delta (Factor de Potencia y Tip up) del estator P03-FGI005

•

Protocolo prueba de Tangente Delta (Factor de Potencia y Tip up) del estator P03-RGI-004

8 BIBLIOGRAFÍA [1]

IEEE Std 286™-2000(R2012) IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation

[2]

IEEE Std-62.2-2004 Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus-Electrical Machinery.

[3]

DOBLE. Engineering Company. Rotating Machinery, Insulation Test Guide.

[4]

Large Synchronous Machines. J.H. Walker. Clarendon Press Oxford 1981.

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FORMATO DE PRUEBA DE TANGENTE DELTA (FACTOR DE POTENCIA Y TIP-UP) DEL DEVANADO DEL ESTATOR Planta: Documento:

Unidad No: Norma/Doc:

Fecha de realización: Fecha última inspección:

00/01/1900 00/01/1900

1. CIRCUITO DE PRUEBA EMPLEADO

IEEE Std-286-2000 (R2012). IEEE Std-62.2-2004, Manual Doble.

Hora inicio: Hora Finalización: 2. INSTRUMENTOS Medidor de Tangente delta

CÓDIGO: P03-FGI-033 VERSIÓN: 02 FECHA ACT: 26-Mar/15

12:00:00 a. m. 12:00:00 a. m.

Temperatura promedio Humedad relativa ASFALTO

ROTOR

3. FORMULAS A EMPLEAR EPOXICO Tip − Up = FP(100%) − FP(25%)

°C %

POLIESTER RESIN RICH

PUESTO FUERA

4. MEDICIONES

Cc(+Cca+Ccb)

GND

Cbc

UST

Cab

GND

Cb(+Cbc+Cba)

GND

Ca(+Cab+Cac)

Cac

UST

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

GND/UST

Tensión (Kv)

I (mA)

P (W)

Frecuencia

T2-T3 T2-T3 T2-T3 T2-T3 T2-T3 T2-T3 T2-T3 T2-T3 T3-T1 T3-T1 T3-T1 T3-T1 T3-T1 T3-T1 T3-T1 T3-T1 T1-T2 T1-T2 T1-T2 T1-T2 T1-T2 T1-T2 T1-T2 T1-T2

UST

MEDICIÓN

Por Fase. Power factor < 2% (Un); Tip UP < 1% 5. CRITERIOS DE DECISIÓN: 6. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES:

DD MM AA

Realizó: Revisó: Aprobó:

% F.P.

C (pF)

% TIP-UP

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Procedimiento Tangente Delta

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