Pruebas Electricas de Transformadores De

INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales

PRUEBAS ELECTRICAS DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN 1 INTRODUCCIÓN El presente documento esta orientado al ensayo de resistencia de materiales, particularmente a las pruebas de rigidez dieléctrica de los aceites tanto en los transformadores de distribución y como en los transformadores de poder los cuales son utilizados en la distribución de energía eléctrica para los usuarios Estas pruebas son basadas en Normas y !ecomendaciones "écnicas e internacionales como la I"IN"EC #$%%%&, IEC pub $'

Ensayo de Rigidez Dieléctrica del Aceite en Transformadores 1

INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales 2 MATERIALES AISLANTES AISLANTES ( Dielctric!s" Conceptos generales( Se denomina aislante eléctrico a toda sustancia de tan ba)a conducti*idad eléctrica +ue el paso de la corriente a tra*és de ella puede ser despreciado "ipos de aislantes(

# # #

Sólidos í+uidos -aseosos

C!rriente de $%&a' es una pe+ue.a corriente +ue pasa a tra*és del aislante cuando o el pote potenc ncia iall entr entree el condu conduct ctor or y el aisl aislan ante te es nulo nulo y la Descar&a Disr%ti)a' es cuand conducción es franca os *ateriales aislantes se llaman dielctric!s para indicar +ue se oponen al paso de la corriente corriente eléctrica /n medio dieléctrico puede tener en estado est0tico un campo eléctrico aun+ue no conduce corriente eléctrica os materiales aislantes cumplen dos funciones fundamentales(

1" Per* Per*it iten en aisl aislar ar elc elctr tric ica* a*en ente te l!s l!s c!nd c!nd%c %ct! t!re ress entr entree s+ , est! est!ss *is*!s c!nd%ct!res resect! a tierra ! a %na *asa *et-lica. 2" M!di$ican M!di$ican en &ran &ran r!!rc r!!rci/n i/n el ca*! ca*! elctric! elctric! 0%e 0%e l!s l!s atra)iesa atra)iesa.. Dielctric! er$ect!' El )ac+! es el 1nico dielctric! er$ect! !r tener conductancia nula Dielctric! i*er$ect!' os material materiales es aislan aislantes tes cuando cuando est0n est0n someti sometidos dos a una tensión tensión eléctr eléctrica ica,, imperfectos, produciendo(

normal normalment mentee son

- corriente de desplazamiento - absorción de corriente - paso de corriente de conducción


INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales Circuito e+ui*alente( Consta de dos ramas en paralelo +ue representan respecti*amente, las caaciti)a , /*ica de la corriente de fuga C ! 3 2igura 3 C 4 permitancia If ! 3 4 pérdida por absorción de corriente del dieléctrico ! & 4 pérdida por componente ó5mica de la A corriente de fuga If 4 corriente de fuga ! & En un dieléctrico perfecto( ! 3 4 % y ! & 4 infinito

c!*!nentes

If

6

os *alores de C, ! 3 y ! & dependen de(

1. Te*erat%ra 2. Frec%encia 3. Tensi/n del dielctric! PROPIEDADES 4ENERALES DE LOS MATERIALES AISLANTES Para asegurar un aislamiento eléctrico seguro y suficiente entre los conductores y entre éstos y las partes met0licas del elemento o instalación es necesario +ue los materiales cumplan ciertas propiedades(

a" Elctricas' 1. 2. 3. 6. 7. 8.

Resistencia de aisla*ient! Ri&ide5 dielctrica C!nstante dielctrica Fact!r de erdidas dielctricas Fact!r de !tencia Resistencia al arc!

1. 2. 3. 6. 7. 8. ;. <.

Resistencia a la tracci/n Resistencia a la c!*resi/n Resistencia a la $le:i/n Resistencia a la c!rtad%ra Resistencia al c!0%e D%re5a Li*ite el-stic! Ma0%ina9ilidad

9" Mec-nicas'


INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales c" F+sic! = tr*icas> 0%+*icas' F+sicas' 1. Pes! eseci$ic! 2. P!r!sidad 3. ?i&r!sc!icidad Tr*icas' 1. 2. 3. 6.

Cal!r esec+$ic! C!nd%cti)idad tr*ica In$la*a9ilidad Te*erat%ra de se&%ridad

1. 2. 3. 6.

Resistencia al !5!n! Resistencia a la l%5 s!lar Resistencia a l!s -cid!s , a l!s -lcalis Resistencia a l!s aceites

@%+*icas'

PROPIEDADES ELCTRICAS Resistencia de aisla*ient!' Es la resistencia +ue opone el aislante al paso de la corriente eléctrica, medida en la dirección en +ue deba asegurarse el aislamiento Como la corriente de fuga de un aislante sigue dos caminos, uno sobre la superficie del material y otro a tra*és del cuerpo, 5abr0 +ue distinguir dos tipos de resistencia de aislamiento(

Resistencia de aisla*ient! s%er$icial' es la +ue ofrece la superficie del material al paso de la corriente cuando se alica %na tensi/n entre d!s 5!nas de dica s%er$icie Resisti)idad s%er$icial( Es el *alor de esa resistencia referida a la superficie comprendida entre las dos zonas sometidas a tensión, se mide en 7egao5mios por cm&


INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales Resistencia de aisla*ient! trans)ersal( es la +ue opone el material a ser atra*esado por la corriente

Resisti)idad trans)ersal( Es el *alor de esa resistencia referida a la superficie comprendida entre las dos caras sometidas a tensión, se mide en 7ogao5mios cm&8 cm En un mismo aislante la resisti*idad trans*ersal no es constante, destac0ndose los efectos debidos a la *ariación de temperatura cuyo aumento produce una disminución de la misma

Ri&ide5 dielctrica (RD"' Es la propiedad de un material aislante de oponerse 5a ser perforado por la corriente eléctrica Tensi/n de er$!raci/n( Es la tensi/n *-:i*a +ue puede soportar sin perforarse 9tensión de perforación: y el espesor de la pieza aislante 9;<8mm: !=(

V perforación espesor .aislante

Cuando se aplica una tensión entre dos caras de un aislante circula una pe+ue.a corriente de fuga +ue produce un aumento local de temperatura disminuyendo la resisti*idad trans*ersal, lo +ue permite el paso de una mayor corriente Este efecto es acumulati*o y produce la perforación del dieléctrico

Te*erat%ra l+*ite( a rigidez dieléctrica es independiente de la temperatura 5asta un cierto *alor y de la tensión eléctrica aplicada> por encima de ese *alor de temperatura, la rigidez dieléctrica disminuye r0pidamente El *alor en el punto de infle?ión se denomina temperatura límite

INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales =ominio independiente de la temperatura =ominio dependiente de la temperatura

"

os aislantes se clasifican de acuerdo a la temperatura de aislación, por+ue tienen temperatura limite de traba)o @ Per$!raci/n elctrica de %n aislante( cuando la descarga disrupti*a se produce por deba)o del *alor de la temperatura límite a perforación se debe e?clusi*amente a la tensión aplicada @ Per$!raci/n electr!tr*ica( Es la +ue se produce por encima de la temperatura límite a tensión aplicada para una temperatura inicial dada 9a1n con ni*eles de tensión nominales:, es insuficiente para pro*ocar la perforación en forma inmediata, pero la promue*e a causa del calentamiento interno debido a las pérdidas dieléctricas

C!nstante dielctrica de %n aislante Es la relación entre la capacidad de un condensador +ue emplea como dieléctrico el material considerado y la capacidad del mismo condensador empleando como dieléctrico el *acío

C' capacidad 9µ f: C=

S' superficie 9cm&:

ε

S 9n @ 3: d

9%,B83% $ 9µ f:

n( n1mero de placas ε

( constante dieléctrica

d' distancia entre placas 9espesor del dieléctrico en cm:

Fact!r de rdidas dielctricas


INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales Prdida dielctrica, es la !tencia elctrica erdida a tra)s de l!s aislantes, produciendose un calentamiento del material aislante al ser atra*esado por la corriente de fuga El $act!r de rdidas dielctricas constituye un elemento para *edir la rdida de !tencia !r calenta*ient! de los aislamientos "ambién se considera una medida de la capacidad de generación de calor por unidad de *olumen del material aislante a potencia perdida en el aislante debe ser mínima o nula P 4 /  I cos φ 4 %

entonces es preciso +ue cosφ 4 % > φ 4

π

&

Este es el caso del aislamiento ideal En la pr0ctica se producen pérdidas cuyo *alor generalmente muy reducido es proporcional a la tg δ , siendo este 0ngulo complementario del 0ngulo de desfase φ  2actor de pérdidas dieléctricas 2P= 4 ε .tg δ

tg δ

/

≅ tg δ ϕ

= !°

/

δ

ϕ I

cos ϕ

I

Como la energía almacenada en un dieléctrico es proporcional a su permiti*idad ε , las pérdidas dieléctricas en dic5o material ser0n proporcionales al producto( ε tgδ

Si δ 4 %



=

factor de pérdidas dieléctricas

I fuga 4 %

Este factor nos da una idea de la calidad y del en*e)ecimiento del aislante

Fact!r de !tencia del aislante Es el coseno del 0ngulo de desfase entre la tensión y la componente de la corriente +ue atra*iesa dic5o aislante En un aislante ideal cos φ 4 % o sea f  4 cos φ


INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales Resistencia al arc! Se *ide !r el tie*! +ue un material aislante es caa5 de resistir l!s e$ect!s destr%cti)!s de %n arc! antes de inutilizarse por 5aber formado éste un camino carbonizado, conductor, sobre la superficie del aislante El arco 5a formado un camino ionizado, el arco eléctrico es una conducción iónica, por lo +ue el medio es un gas o un aislante li+uido +ue luego se *aporiza En los aislantes sólidos cuando se produce una descarga , arco eléctrico, los elementos +ue rodea la zona donde se esta produciendo el fenómeno , se carbonizan a energía +ue se desarrolla produce un calor muy intenso +ue permite la carbonización  En la mayoría de los casos una *ez +ue se 5a e?tinguido el arco el medio +ueda carbonizado E?isten materiales +ue son carbonizables y otros +ue no lo son a resistencia de arco es la resistencia de los materiales +ue rodean el arco eléctrico El tiempo +ue es capaz de resistir, depende de la tensión aplicada y de la corriente de arco Para controlar, des*iar o e?tinguir el arco se utilizan diferentes dispositi*os, pró?imos a los contactos, como ser c0maras apagac5ispas, o apro*ec5ando la misma corriente de falla para producir un soplado magnético El arco también se controla(

# !efriger0ndolo # Alarg0ndolo # Coloc0ndole interferencias en el camino 9placas: PROPIEDADES MECNICAS 1" Resistencia a la tracci/n' Es la propiedad de resistir esfuerzos mec0nicos +ue tienden a estirar o alargar un material Su *alor en los aislantes es relati*amente ba)o

2" Resistencia a la c!*resi/n' Es la propiedad de resistir esfuerzos mec0nicos +ue tienden a acortar o comprimir el material Sus *alores suelen ser m0s ele*ados +ue los de tracción

3" Resistencia a la $le:i/n' Es la capacidad de resistir esfuerzos +ue tiendan a doblar el aislante 9 3:, &: y # : est0n influenciadas por la 5umedad y la temperatura:

6" Resistencia a la c!rtad%ra Es la propiedad de resistir esfuerzos mec0nicos +ue tienden a 5acer deslizar una parte del material sobre la otra

Ensayo de Rigidez Dieléctrica del Aceite en Transformadores "

INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales 7" Resistencia al c!0%e Es la capacidad de resistir el impacto de un c5o+ue o golpe

8" D%re5a Se puede definir como la resistencia +ue opone un material a ser penetrado por una bola o punzón

;" L+*ite el-stic! de %n *aterial Es el m0?imo esfuerzo +ue puede aplicarse al mismo, sin +ue e?perimente deformaciones permanentes

<" Ma0%ina9ilidad de %n *aterial Es la facilidad con +ue puede ser mecanizado con 5erramientas cortantes

PROPIEDADES FSICO>@UMICAS Pr!iedades $+sicas de l!s aislantes

# #

Pes! esec+$ic!' es el peso por unidad de *olumen del material gr8cm# P!r!sidad' es la propiedad +ue tienen todos los cuerpos de de)ar espacios *acíos entre sus moléculas a porosidad constituye un gra*e incon*eniente, +ue contribuye a( • •

#

En los poros se acumule 5umedad y pol*o ambiente El aire +ue llene los poros por acción del campo eléctrico se ioniza, lo +ue disminuye la resistencia dieléctrica del aislante

?i&r!sc!icidad' es la capacidad de absorber 5umedad +ue tiene un material En los aislantes, la 5umedad reduce considerablemente la rigidez dieléctrica y la resistencia de aislamiento

a 5umedad en los aislantes disminuye la rigidez dieléctrica y la resistencia de aislación, para reducir el efecto de la 5umedad en los aislantes sólidos se lo re*iste con una sustancia impermeable

3 ENSAO DE RI4IDE DIELECTRICA DEL ACEITE

Ensayo de Rigidez Dieléctrica del Aceite en Transformadores 

INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales 3.1.> O9eti)!' Con esta prueba se determina el grado de contaminación y 5umedad de la muestra por medio de la aplicación de *olta)es disrupti*os, dando como resultado un diagnostico preliminar, para considerar apto o no el aceite para su uso en el transformador

3.2.> N!r*as a c!ns%ltar' as pruebas de laboratorio son realizadas de acuerdo a las recomendaciones de la norma AS"7 =I3'@$ por ser el método mas efecti*o para la prueba de est a clase de aceites de origen org0nico, utilizado en cables, transformadores e interruptores en sistemas por encima de &#% ;*> este método es mas sensible a las partículas contaminantes como la fibra de celulosa y la 5umedad

3.3.> E0%i!s r Instr%*ent!s a %tili5ar' @ Probador de aceite dieléctrico DIP"!NICS tipo C@%F

3.6.> Etaas de r%e9a' 3 prueba final

3.7.> Pr!cedi*ient!' En general se tendr0 presente lo siguiente( . En el momento de la recepción de la muestra solicitara datos adicionales, tales como características del transformador de donde pro*ino la muestra, estado actual del transformador, método utilizado para e?traer la muestra, tiempo de e?traído la muestra . Se re*isa el e?terior de la muestra para *erificar +ue no 5a sufrido alteraciones de su estado real

. Se debe contar con por lo menos de & G litros de muestra para tener un margen de Seguridad de Prueba . impiar con parte de la muestra el recipiente +ue contiene a los electrodos 9& *eces: . lenar el recipiente cuidando de no crear burbu)as +ue posea esta se ele*en a la superficie estando los electrodos separados &mm . Aplicar con el e+uipo Probador de aceite una tensión con incrementos regulares de B%%
Puente de S5ering Ensayo de Rigidez Dieléctrica del Aceite en Transformadores 1!

INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales El puente de S5ering es de uso muy frecuente, siendo utilizado para la medición de capacidades, constante dieléctrica y factor de disipación de capacitores y elementos capaciti*os tales como cables de alta tensión, aisladores, aceites de transformadores etc Este puente difiere de los otros puentes en el método y el procedimiento a seguir para obtener el e+uilibrio

2igura 3 Ensayo de Rigidez Dieléctrica del Aceite en Transformadores 11

INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales os *alores +ue se desean conocer se obtienen en función de los *alores conocidos de las restantes impedancias del puente cuando éste est0 e+uilibrado, es decir cuando los puntos a y b est0n al mismo potencial Para saber si el puente est0 en e+uilibrio 9
 Rx − j  ⋅ R L ⋅  − j  = − j ⋅ 9 R# + s : ⋅  R L − j        ω ⋅ Cx  ω ⋅ C L    ω ⋅ C L  ω ⋅ Cn 

− j Rx ⋅ RL − & RL = − j R L ⋅ 9 R# + s: − 9& R# + s: ω ⋅ C L ω Cx ⋅ C L ω ⋅ Cn ω ⋅ C L ⋅ Cn Para +ue se cumpla esta igualdad deben ser iguales tanto las partes reales y las imaginarias de ambos miembros Por lo tanto se debe cumplir las siguientes igualdades Para la parte real( R L &

ω

⋅ Cx ⋅ C L Cx

=

= R

R# + s &

ω

⋅ C L ⋅ Cn

L ⋅ Cn

R # + s

Para la parte imaginaria( Rx ⋅ R L ω

⋅ C L

Rx =

=

R L ⋅ 9 R# + s : ω

⋅ Cn

9 R# + s : ⋅ C L

Cn

"ambién se puede calcular el factor de disipación 9tg  :, 5aciendo el cociente entre la caída de tensión en la resistencia y la caída de tensión en el capacitor o lo +ue es lo mismo, el cociente entre parte resisti*a y la reacti*a de la impedancia del capacitor +ue se est0 midiendo !ecuérdese


INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales +ue la corriente +ue circula por el capacitor y la resistencia es la misma sea +ue se puede calcular con la siguiente fórmula(

9 R# + s : ⋅ C L tg δ =

Rx 3 ω

⋅ Cx

=

I

Cn R# + s ω

ϕ

⋅ R L ⋅ Cn δ

tg δ

= ω ⋅ C L ⋅ R L = & ⋅ π ⋅ f ⋅ C L ⋅ R L

Eligiendo adecuadamente el *alor de !L se puede simplificar notablemente el c0lculo, por e)emplo si R L 4 3%%%% 8  K MeK l *alor numérico de la tg sK er0 igual al de CL en  2

!egulador de potencial


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Si los puntos a y b del puente tienen un potencial distinto +ue el del blinda)e, circular0n corrientes entre estos puntos y el blinda)e, +ue alterar0n la medición a circulación de estas corrientes se debe a la e?istencia de capacidades par0sitas entre a y el blinda)e 9Cao:, y b y el blinda)e 9Cbo: Adem0s e?iste una capacidad par0sita entre u y tierra pero ésta no influye en la medición ya +ue est0 en paralelo con la fuente de tensión Para eliminar estas corrientes se utiliza el regulador de potencial, 92ig &: el cual nos permite poner el blinda)e al mismo potencial +ue los puntos a y b, eliminando de esta forma las corrientes capaciti*as Para regular la tensión del blinda)e e igualarla a la de los puntos a y b, se mue*e la perilla "& 92ig3: y se *aría la tensión del blinda)e 9amplitud y fase: 5asta +ue el gal*anómetro indi+ue cero uego de esta operación se *uel*e "& a la otra posición y se *arían !#, !L y CL 5asta +ue el gal*anómetro indi+ue cero Se repite este procedimiento 5asta +ue el gal*anómetro indi+ue cero en las dos posiciones de la perilla, cuando esto suceda el puente estar0 e+uilibrado y el potencial del blinda)e ser0 igual +ue el de los puntos a y b


INACAP Sede Colón Resistencia de Materiales Ensayos de aceites •

=eterminación de la rigidez dieléctrica(

7edidor de rigidez dieléctrica

Es+uema del medidor de rigidez dieléctrica

Electrodos del medidor de rigidez dieléctrica


•

=eterminación de la tangente de delta(

Puente de Sc5ering

Es+uema del puente de Sc5ering

Capacitor para ensayo de aceite

Nota( El *alor de proporcionalidad , sólo se usa para la determinación de la rigidez dieléctrica seg1n normas <=E

Pruebas Electricas de Transformadores De

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