guia para la elaboracion de ensayos de diagnostico
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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniera
Escuela de Ingeniera Elctrica
IE 0502 Proyecto Elctrico
Gua para la elaboracin de ensayos de diagnstico
en campo a transformadores elctricos de potencia.
Por:
Leonardo Snchez Chavarra
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Junio del 2010
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ii
Gua para la elaboracin de ensayos de diagnstico
en campo de transformadores elctricos de
potencia.
Por:
Leonardo Snchez Chavarra
Sometido a la Escuela de Ingeniera Elctrica
de la Facultad de Ingeniera
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERA ELCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. lvaro Pearanda Contreras
Profesor Gua
_________________________________ _________________________________
Ing. Luis Fernando Andrs Jcome Ing. Adrin Rojas Ramrez
Profesor lector Profesor lector
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iii
NDICE GENERAL
CAPTULO 1: Introduccin ................................................................................................... 1
1.1 Descripcin del proyecto ......................................................................................... 1
1.2 Objetivos .................................................................................................................. 1
1.2.1 Objetivo general ............................................................................................... 1
1.2.2 Objetivos especficos ........................................................................................ 1
1.3 Metodologa ............................................................................................................. 2
CAPTULO 2: Desarrollo terico .......................................................................................... 3
2.1 El transformador ...................................................................................................... 3
2.2 Principio de funcionamiento del transformador ...................................................... 5
2.3 Componentes de los transformadores de potencia ................................................. 10
2.3.1 Ncleo ............................................................................................................. 10
2.3.2 Devanados ...................................................................................................... 11
2.3.3 Tanque ............................................................................................................ 12
2.3.4 Bushings ......................................................................................................... 13
2.3.5 Taps ................................................................................................................ 14
2.3.6 Descargadores de sobretensin ....................................................................... 15
2.3.7 Rel Buchholz ................................................................................................ 16
2.3.8 Radiadores y ventiladores ............................................................................... 18
2.3.9 Secador de silicagel ........................................................................................ 18
2.4 Pruebas a transformadores ..................................................................................... 19
2.5 Aceite ..................................................................................................................... 21
2.5.1 Proceso de degradacin de los aceites minerales ........................................... 21
2.6 Papel aislante ......................................................................................................... 23
2.6.1 Vida til del papel aislante ............................................................................. 24
CAPTULO 3: Pruebas al aceite .......................................................................................... 26
3.1 Prueba de rigidez dielctrica .................................................................................. 26
3.2 Prueba de color ...................................................................................................... 29
3.3 Prueba de factor de potencia .................................................................................. 30
3.4 Prueba de contenido de humedad (Mtodo de Karl Fischer) ................................. 33
3.5 Pruebas de tensin interfacial y nmero de neutralizacin .................................... 35
3.5.1 Prueba de tensin interfacial........................................................................... 38
3.5.2 Prueba de nmero de neutralizacin (acidez) ................................................. 39
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iv
3.6 Densidad relativa del aceite .................................................................................. 40
3.7 Prueba de cantidad de inhibidor ............................................................................. 42
3.8 Prueba de resistividad del aceite ............................................................................ 43
3.9 Prueba de cromatografa de gases .......................................................................... 43
CAPTULO 4: Pruebas elctricas......................................................................................... 48
4.1 Prueba de resistencia de los devanados ................................................................. 48
4.1.1 Medicin mediante ampermetro y voltmetro .............................................. 49
4.1.2 Medicin mediante puente Kelvin .................................................................. 50
4.2 Prueba de relacin de transformacin .................................................................... 53
4.3 Prueba resistencia del aislamiento ......................................................................... 55
4.4 Factor de potencia de los aisladores ...................................................................... 60
4.5 Pruebas a descargadores de sobretensin .............................................................. 63
4.6 Prueba de corriente de excitacin .......................................................................... 65
CAPTULO 5: Pruebas preliminares y programa de pruebas .............................................. 67
5.1 Pruebas preliminares .............................................................................................. 68
5.1.1 Prueba de punto de roco ................................................................................ 69
5.1.2 Medicin de la presin de nitrgeno .............................................................. 69
5.1.3 Revisin del silicagel ...................................................................................... 70
5.1.4 Prueba de funcionamiento de los abanicos ..................................................... 70
5.1.5 Prueba del cambiador de taps ......................................................................... 71
5.1.6 Revisin de las partes del transformador ........................................................ 71
5.1.7 Termografa infrarroja .................................................................................... 72
5.1.8 Medidas de seguridad al realizar pruebas ....................................................... 72
5.2 Programa de pruebas .............................................................................................. 73
5.2.1 Pruebas mensuales .......................................................................................... 74
5.2.2 Pruebas semestrales ........................................................................................ 75
5.2.3 Pruebas anuales .............................................................................................. 75
CAPTULO 6: Conclusiones y recomendaciones ................................................................ 77
6.1 Conclusiones .......................................................................................................... 77
6.2 Recomendaciones .................................................................................................. 78
BIBLIOGRAFA .................................................................................................................. 79
APNDICES ........................................................................................................................ 83
Instructivo prueba de rigidez dielctrica .............................................................................. 83
Instructivo prueba de color ................................................................................................... 87
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v
Instructivo prueba de factor de potencia del aceite .............................................................. 89
Instructivo para prueba de contenido de humedad, mtodo de Karl Fischer ....................... 92
Instructivo para la prueba de tensin interfacial y nmero de neutralizacin ...................... 95
Instructivo para la prueba de densidad relativa del aceite .................................................... 99
Instructivo resistencia interna de los devanados................................................................. 101
Instructivo para prueba de relacin de transformacin ...................................................... 105
Instructivo para la prueba de factor de potencia de los aisladores ..................................... 107
Instructivo para prueba de resistencia del aislamiento ....................................................... 110
Instructivo para prueba a descargadores de sobretensin ................................................... 114
Instructivo para prueba de medicin de corriente de excitacin ........................................ 117
Instructivo para prueba de funcionamiento de los abanicos ............................................... 119
Instructivo para la prueba del estado del silicagel .............................................................. 120
Instructivo para la prueba de punto de roco ...................................................................... 121
Instructivo para prueba de presin de nitrgeno ................................................................ 127
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vi
NDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 ndice horario de los transformadores trifsicos [22]
.............................................. 4
Figura 2.2 Diagrama del transformador ideal [23]
................................................................... 5
Figura 2.3 Curva de histresis de un transformador [25]
.......................................................... 7
Figura 2.4 Flujo mutuo y disperso en el ncleo de un transformador [3]
................................ 8
Figura 2.5 Modelo del transformador referido a su nivel de tensin primaria [3]
................... 8
Figura 2.6 Principales partes del transformador de potencia [26]
.......................................... 10
Figura 2.7 Transformador tipo acorazado (a) y tipo ncleo (b) [13]
.................................... 11
Figura 2.8 Bobinas del transformador [12]
............................................................................. 11
Figura 2.9 Tanque sellado con vlvula de presin ............................................................... 12
Figura 2.10 Tanque con respiracin libre ............................................................................. 13
Figura 2.11 Transformador con tanque de expansin .......................................................... 13
Figura 2.12 Bushings de un transformador [12]
..................................................................... 14
Figura 2.13 Taps de un transformador [30]
............................................................................ 15
Figura 2.14 Descargadores de sobretensin y bushings en un transformador [31]
............... 16
Figura 2.15 Rel Bucholz y sus componentes [16]
................................................................ 17
Figura 2.16 Sistema de enfriamiento de un transformador de potencia ............................... 18
Figura 2.17 Secador de silicagel [16]
..................................................................................... 19
Figura 2.18 Relacin entre la temperatura y la cantidad de agua disuelta en el aceite [14]
... 22
Figura 3.1 Equipo de medicin rigidez dielctrica [24]
......................................................... 28
Figura 3.2 Comparador de aceites derivados de petrleo Lovibond [36]
............................... 29
Figura 3.3 Conexin del equipo para la prueba de factor de potencia del aceite [12]
............ 31
Figura 3.4 Tringulo de potencia .......................................................................................... 32
Figura 3.5 Equipo para la prueba de contenido de humedad [32]
......................................... 34
Figura 3.6 Partes de la celda de muestra para la prueba Karl Fischer [33]
............................ 35
Figura 3.7 Relacin entre la tensin interfacial y el nmero de neutralizacin [12]
. ............. 36
Figura 3.8 Calificacin del aceite de acuerdo al ndice de calidad [12]
................................. 37
Figura 3.9 Equipo para la medicin de la tensin interfacial Lauda [34]
............................... 38
Figura 3.10 Densmetro [37]
................................................................................................... 41
Figura 3.11 Lectura del densmetro para (a) lquidos opacos y (b) lquidos transparentes [] 42
Figura 3.12 Concentracin de gases en funcin de la temperatura [12]
................................. 44
Figura 3.13 Perfil cromatogrfico del aceite sobrecalentado [12]
.......................................... 45
Figura 3.14 Perfil cromatogrfico del papel sobrecalentado [12]
.......................................... 46
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vii
Figura 3.15 Perfil cromatogfico del efecto corona [12]
........................................................ 46
Figura 4.1 Circuito para la medicin de resistencia de los devanados mediante
ampermetros y voltmetros [6]
.............................................................................................. 49
Figura 4.2 Puente Kelvin [27]
................................................................................................. 50
Figura 4.3 Medidor de resistencia de bobinados WRM-40 [28]
............................................ 51
Figura 4.4 Resistencia de los devanados para la conexin en estrella ................................. 51
Figura 4.5 Resistencia de los devanados para la conexin en delta ..................................... 52
Figura 4.6 Equipo de medicin de relacin de transformacin (TTR) Megger [29]
.............. 54
Figura 4.7 Conexiones bsicas de medidor de relacin de transformacin marca Vanguard [12]
.......................................................................................................................................... 54
Figura 4.8 Megohmetro Megger [14]
..................................................................................... 56
Figura 4.9 Conexiones para transformadores monofsicos [14]
............................................ 58
Figura 4.10 Conexiones para transformadores trifsicos [14]
................................................ 59
Figura 4.11 Relacin entre tensin, corriente capacitiva y corriente resistiva [14]
................ 61
Figura 4.12 Conexin para la prueba de collar caliente [14]
.................................................. 62
Figura 4.13 Conexiones para la prueba a descargadores de sobretensin [14]
...................... 64
Figura 4.14 Conexiones para prueba de corriente de excitacin para devanados en delta y
estrella [14]
............................................................................................................................. 65
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NDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Humedad mxima permisible en el aceite [14]
...................................................... 22
Tabla 3.1 Pruebas ms importantes al aceite en campo y laboratorio [10]
............................ 26
Tabla 3.2 Comparacin norma ASTM D 877 y ASTM D 1816 [9]
...................................... 27
Tabla 3.3 Valores de correccin del factor de potencia [7]
................................................... 32
Tabla 3.4 Niveles crticos de agua para el aceite de acuerdo a la tensin nominal [12]
........ 35
Tabla 3.5 Calificacin del aceite segn ndice de calidad [10]
.............................................. 37
Tabla 3.6 Cantidad de inhibidor [12]
...................................................................................... 43
Tabla 4.1 Factores de correccin de la resistencia de los aislamientos [14]
.......................... 57
Tabla 4.2 Valores de resistencia de aislamiento para transformadores de potencia y
distribucin [14]
...................................................................................................................... 59
Tabla 4.3 Valores de la constante C a 20C [14]
.................................................................... 60
Tabla 4.4 Factores de correccin de temperatura para prueba de factor de potencia de los
aisladores [12]
......................................................................................................................... 63
Tabla 4.5 Criterios de evaluacin para los bushings [12]
....................................................... 63
Tabla 4.6 Conexiones y tensiones de prueba para la prueba a descargadores de sobretensin
[14] .......................................................................................................................................... 64
Tabla 4.7 Tensiones de prueba para descargadores de sobretensin [14]
.............................. 65
Tabla 5.1 Causas de fallas en el transformador [14]
............................................................... 67
Tabla 5.2 Conversin de la temperatura de punto de roci en ppm de vapor de agua [15]
... 69
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NOMENCLATURA
A Ampere, unidad de corriente elctrica
a Relacin de vueltas del transformador
ANSI American National Standards Institute
ASTM American Society for Testing and Materials
C Grados Celsius
CA Corriente alterna
CC Corriente contina
cc centmetro cbico, o mililitro
CNFL Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A
dB Decibel, unidad de comparacin de magnitudes
DBPC 2-6 Di-tercio Butyl Para Cresol
FP Factor de potencia
H Devanado de alta de un transformador
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
KOH Hidrxido de potasio
mo Masa de cierto volumen de agua
ms Masa de cierto volumen de aceite
mL Mililitro
Eficiencia
N Vueltas de alambre
r Densidad relativa
Ohm, unidad de resistencia elctrica
P Potencia real
PC Plena carga
PPM partes por milln
Q Potencia reactiva
RMS Root Mean Square
RV Regulacin de tensin
S Potencia aparente
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x
SC Sin carga
UST Prueba de espcimen desaterrizado
V Volts, unidad de tensin elctrica
VA Voltamperios, unidad de potencia aparente
VAR Voltamperios reactivos, unidad de potencia reactiva
VPS Voltios por segundo
W Watts, unidad de potencia real
X Devanado de baja tensin de un transformador
Z Impedancia
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xi
RESUMEN
Este trabajo presenta una gua de las pruebas que se deben realizar a
transformadores elctricos de potencia, de manera que pueda dar un mantenimiento
preventivo o correctivo correcto con el fin de mantener el equipo en opimas condiciones de
operacin de manera que se alargue su vida til adems de brindar un servicio de calidad a
los clientes. Adems se presentan criterios de calificacin para los resultados de cada
prueba de manera que se realce una evaluacin correcta del estado real del transformador.
En la seccin de apndices se incluyen los instructivos que forman una gua para
que el personal de la Compaa Nacional de Fuerza y Luz S.A. realice las pruebas de
acuerdo a la normativa vigente, esto con el fin de ahorrar tiempo de entrenamiento del
personal adems de evitar errores humanos en el proceso de pruebas.
Las pruebas mostradas en este trabajo forman un conjunto de evaluacin por lo que
los resultados no se debern analizar individualmente sino que se debern analizar como un
conjunto de forma que resultados de una prueba sean complementados por otra.
Este trabajo es un complemento importante del rea de mantenimiento ya que por
medio de estas pruebas se puede realizar un diagnstico adecuado y organizar un programa
de mantenimiento adecuado segn sea el caso.
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1
CAPTULO 1: Introduccin
1.1 Descripcin del proyecto
Este proyecto consiste en la realizacin de un manual para pruebas a
transformadores de potencia, el cual va a ser utilizado por el personal de la Compaa
Nacional de Fuerza y Luz S.A. Se muestra la metodologa a seguir para realizar las pruebas
de forma correcta, as como la frecuencia a la que se debe realizar cada una de ellas para
obtener diagnstico correcto del estado de los transformadores. De esta forma se busca que
se les brinde un mantenimiento adecuado, a tiempo, y en caso de presentar alguna falla, esta
pueda ser detectada y corregida de forma oportuna.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Elaborar una gua para la realizacin de ensayos a los transformadores elctricos de
potencia de las subestaciones de distribucin y generacin de la Compaa Nacional
de Fuerza y Luz S.A.
1.2.2 Objetivos especficos
Definir los ensayos bsicos, y las frecuencias de realizacin, para poder evaluar la
integridad de los transformadores elctricos de potencia.
Confeccionar los instructivos para cada una de las pruebas que se deben realizar a
los transformadores de potencia, como parte del mantenimiento predictivo.
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2
Proveer guas para establecer los criterios de fallas, y los mtodos para el anlisis y
la interpretacin de los resultados de los ensayos.
1.3 Metodologa
El primer punto a realizar en el proyecto requiere un estudio de las normas que
regulan las pruebas a los trasformadores, de manera que se respete el estndar internacional
y los resultados que se obtengan puedan ser interpretados de manera correcta, para esta
parte se usaran las normas de IEEE, la cuales presentan los pasos para realizar de de forma
correcta pruebas, ya sean elctricas, trmicas o de sonido. Tambin se utilizan las normas
publicadas por la ASTM las cuales indican la forma de realizar las pruebas al aceite de los
transformadores.
Definido el protocolo a seguir, se debe de conocer el equipo disponible en la seccin
de pruebas elctricas de la CNFL, con el fin de presentar su correcto uso para que las
pruebas se realicen de manera correcta de manera que los resultados obtenidos sean
confiables.
Finalmente se establecer el protocolo de pruebas, el cual debe incluir, entre otras
cosas: las normas de seguridad, la metodologa de cada prueba y la frecuencia con que debe
ser realizada cada una de ellas.
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3
CAPTULO 2: Desarrollo terico
2.1 El transformador
Es un dispositivo elctrico esttico, cuya principal funcin es aumentar o disminuir
la tensin de salida con respecto a la tensin en el primario. Se basa en el principio de que
la energa elctrica puede ser transportada por induccin magntica desde una bobina a otra
mediante un flujo variable en el tiempo.
Est formado por dos o ms bobinas de alambre arrolladas sobre un ncleo comn
el cual se fabrica de un material ferromagntico. Se denomina devanado primario al que se
encuentra conectado a la fuente de potencia y devanado secundario al que est conectado
en el lado de la carga y de existir un tercer devanado este se denomina terciario.
Entre las principales aplicaciones de los transformadores se pueden mencionar: en
transmisin y distribucin de energa, elevando la tensin para su transporte reduciendo las
prdidas, luego bajndola a un nivel adecuado para la carga que se alimente; para muestreo
de tensin y corriente, llevando el parmetro que se busca medir a un valor adecuado para
ser medido con equipo convencional de una forma segura.
En sistemas de potencia se utilizan transformadores monofsicos o trifsicos,
clasificacin que se realiza de acuerdo al tipo de conexin de las bobinas. Dentro de los
trifsicos existen varios tipos de conexiones, las cuales se muestran en la figura 2.1, cada
una de estas presenta caractersticas que la hacen ms o menos adecuada para una
aplicacin.
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Figura 2.1 ndice horario de los transformadores trifsicos [22]
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5
2.2 Principio de funcionamiento del transformador
La figura 2.2 muestra el diagrama bsico de un transformador. La relacin de
vueltas del transformador indica el factor en que el nivel de tensin de CA del secundario
cambia respecto al primario.
Figura 2.2 Diagrama del transformador ideal [23]
Las relaciones de tensin y corriente en funcin al nmero de vueltas de los devanados son:
(2.1)
La potencia de entrada y salida se relaciona mediante las ecuaciones (2.2) a (2.4), y
al despreciar las prdidas S, P y Q son para el primario y el secundario:
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Los transformadores cambian la impedancia vista por un elemento en cualquiera de
sus lados, ya que modifica las relaciones de tensin y corriente. Si se define como ZL la
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6
impedancia vista por la fuente de potencia y ZL la impedancia de la carga, la relacin entre
estas se puede definir como:
(2.5)
De manera que seleccionando el nmero de vueltas se puede hacer que la fuente vea
una impedancia de la carga igual a la suya.
El funcionamiento de un transformador real se asemeja al de un transformador
ideal, sin embargo, tienen caractersticas que los diferencian las cuales deben ser tomadas
en cuenta. En la realidad la potencia de entrada ser mayor que la de salida, ya que existen
prdidas dentro del transformador.
El ncleo presenta prdidas, las cuales incluyen las prdidas por histresis y
corrientes parsitas; tambin existen prdidas en los devanados las cuales dependen de la
corriente que fluye por ellos, se calculan mediante la siguiente relacin:
(2.6)
La histresis es el fenmeno mediante el cual un material ferromagntico mantiene
su estado de magnetizacin an despus de eliminar el campo magntico al cual fue
sometido, de manera que el flujo creado en el ncleo no depender solo de la corriente
aplicada, sino que influir el campo aplicado anteriormente.
Estos materiales tienen espacios llamados dominios, los cuales son secciones en las
que los tomos tienen el campo magntico alineado en una misma direccin, estos tienen
una distribucin aleatoria en estado natural. Al aplicar un campo magntico externo los
dominios que se encuentran alineados con el crecen sobre los dominios que tienen
direcciones distintas, estos poco a poco se alinean con el campo magntico hasta que el
material se satura cuando la mayora de los tomos estn alineados. Al eliminar el campo
magntico los dominios no se vuelven a alinear al azar, lo cual provoca prdidas en el
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7
ncleo, ya que se necesita energa para cambiar la orientacin de los dominios durante cada
ciclo de corriente alterna.
Figura 2.3 Curva de histresis de un transformador [25]
Las corrientes parsitas se producen debido a tensiones inducidas por el campo
magntico en el ncleo, las cuales disipan energa en forma de calor debido a la resistencia
del material del que est fabricado el ncleo. Las prdidas son proporcionales a la distancia
recorrida por la corriente, por esto los ncleos se fabrican de tiras delgadas de material, las
cuales estn aisladas unas de otras por medio de un barniz especial.
Adems de estas prdidas antes mencionadas, se deben tomar en cuenta las
producidas por el flujo disperso, el cual escapa del ncleo, pasando por el devanado
primario pero sin cruzar el devanado secundario.
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8
Figura 2.4 Flujo mutuo y disperso en el ncleo de un transformador [3]
Finalmente dos aspectos a destacar en los transformadores reales son la regulacin
de tensin y la eficiencia. El circuito equivalente de un transformador se muestra en la
figura 2.5, y se puede notar la presencia de impedancias en serie dentro del transformador,
estas debidas a la resistencia propia de los materiales y a su configuracin dentro del
transformador.
Figura 2.5 Modelo del transformador referido a su nivel de tensin primaria [3]
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De acuerdo a la ley de Ohm, la cada de tensin en una impedancia est dada por la
ecuacin
(2.7)
Si una carga demanda ms corriente la cada de tensin en la impedancia ser
mayor, de manera que si se modifica la carga la tensin de salida ser modificada tambin.
La regulacin de tensin a plena carga es una cantidad que compara la tensin de salida en
vaco con la tensin de salida a plena carga [3]
, y se calcula mediante la ecuacin
(2.8)
Como se explic anteriormente los transformadores reales tienen prdidas, de
manera que la potencia de entrada ser mayor que la de salida. Este parmetro, llamado
eficiencia, brinda una medida de comparacin entre distintos transformadores y se calcula
con la ecuacin (2.9).
(2.9)
La potencia de salida se puede definir como
(2.10)
De manera que la ecuacin (2.9) se puede expresar en trminos de tensin y
corriente de salida, as como del factor de potencia. Cabe mencionar que las prdidas son
las producidas en el ncleo (histresis y corrientes parsitas) adems de las producidas en
los devanados, que se calculan mediante la ecuacin (2.6). La eficiencia se define entonces
como:
(2.11)
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2.3 Componentes de los transformadores de potencia
En esta seccin se pretende dar una explicacin acerca de los componentes que
presentes en un transformador elctrico de potencia.
Figura 2.6 Principales partes del transformador de potencia [26]
2.3.1 Ncleo
El ncleo est construido de un material ferromagntico con caractersticas
especiales (hierro de grano orientado), de manera que las prdidas por corrientes parsitas e
histresis sean lo ms pequeas posibles. Se construye con capas muy delgadas del material
aisladas unas de otras. Existen dos tipos de configuracin, tipo ncleo para potencias
mayores a 50 MVA y tipo acorazado para potencias menores (figura 2.5).
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Figura 2.7 Transformador tipo acorazado (a) y tipo ncleo (b)
[13]
2.3.2 Devanados
Son fabricados de cobre en la mayora de los casos sin embargo tambin existen
bobinas de aluminio, los cuales tienen una seccin transversal circular para reas menores a
4 mm2, para reas mayores se fabrican de forma rectangular. Estas se encuentran aisladas
elctricamente por medio de una cinta aislante como se muestra en la siguiente figura.
Figura 2.8 Bobinas del transformador
[12]
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2.3.3 Tanque
Su funcin es proteger mecnicamente los devanados as como todos los
componentes que se encuentren en el interior del transformador, adems sirve para evitar la
entrada de contaminantes y mantener el aceite dentro del transformador. Dependiendo de su
construccin se pueden clasificar en:
Tanque sellado: no cuenta con una tubera para respiracin, ya que tiene la tapa
soldada. La presin dentro del tanque se mantiene dentro de un rango definido
mediante una vlvula de alivio de presin. En el momento de instalarlo se introduce
un gas (aire limpio o nitrgeno) de manera que se forme un colchn de gas sobre el
aceite, existe poca contaminacin con el medio ambiente debido a la vlvula de
presin.
Figura 2.9 Tanque sellado con vlvula de presin
Respiracin libre: en este tipo de construccin el interior del tanque est en contacto
con el medio ambiente por medio de una tubera, la cual est doblada hacia abajo
para evitar la entrada de lluvia adems cuenta con una rejilla para que no ingresen
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animales. Debido a que puede ingresar humedad del ambiente se coloca un
removedor de humedad, el cual consiste en un tanque lleno de silicagel.
Figura 2.10 Tanque con respiracin libre
Con tanque de expansin: el transformador tiene un tanque adicional llamado
tanque de expansin, colocado sobre el transformador. Su funcin es que la
expansin del aceite y el intercambio de aire con el medio ambiente ocurran lejos
del tanque principal donde se encuentra la mayor parte del aceite, reduciendo la
contaminacin. Dentro del tanque usualmente se coloca una bolsa de goma, la cual
se expande o contrae de acuerdo a la cantidad de aceite y a su temperatura.
Figura 2.11 Transformador con tanque de expansin
2.3.4 Bushings
Su funcin es transportar los conductores (devanados) del interior del transformador
hacia la parte exterior. Estos deben ser capaces de soportar los esfuerzos elctricos a
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tensin nominal, as como los que puedan ocurrir en caso de una falla. Los bushings se
fabrican de diferentes materiales como [12]
:
Porcelana (para tensiones hasta 25 kV).
Porcelana aceite (para tensiones entre 25 y 69 kV).
Porcelana compuesto epxico.
Porcelana resina sinttica (para tensiones 34,5 a 115 kV).
Porcelana papel impregnado de aceite (para tensiones mayores a 275 kV).
Figura 2.12 Bushings de un transformador [12]
2.3.5 Taps
Permiten cambiar la relacin entre las tensiones primaria y secundaria del
transformador, modificando la relacin de vueltas de los devanados, usualmente el
devanado de alta tensin se construye con taps, debido a que por este la corriente es
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menor (ver ecuacin 2.1). Los cambios en los taps se pueden realizar de forma
manual o automtica.
Figura 2.13 Taps de un transformador [30]
2.3.6 Descargadores de sobretensin
Su funcin es llevar las cualquier sobrecarga que pueda incidir en el equipo
directamente a tierra, evitando daos a la unidad y los dems equipos que estn conectados
con este. Se pueden clasificar en tres tipos [12]
:
Subestacin (684 kV).
Intermedios (hasta 120 kV).
Distribucin (hasta 30 kV).
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16
Figura 2.14 Descargadores de sobretensin y bushings en un transformador
[31]
2.3.7 Rel Buchholz
Este dispositivo est presente en transformadores que cuentan con tanque de
expansin. Funciona bajo el principio de que al producirse una falla en el transformador se
produciran gases. Se compone de una cmara cilndrica con dos flotadores, uno superior
conectado al circuito de alarma y uno inferior conectado al circuito de desenganche.
Al producirse una falla las burbujas de gas suben por la tubera y quedan atrapadas
en la cmara, este gas desplaza parte del aceite disminuyendo su nivel. Cuando el nivel de
aceite ha bajado lo suficiente, se acciona el circuito de alarma y si continan producindose
gases el nivel continuar bajando con lo que se acciona el circuito de desenganche.
Tambin existe una tercera proteccin que cierra el circuito de desenganche cuando se
producen gases de manera violenta con lo que se aumenta la velocidad del aceite en la
tubera.
-
17
Figura 2.15 Rel Bucholz y sus componentes [16]
Este dispositivo permite detectar si se han producido fallas en el transformador, ya
que los gases que se produzcan por estas quedarn atrapados, y mediante una prueba de
cromatografa de gas se puede determinar el tipo de falla.
-
18
2.3.8 Radiadores y ventiladores
Los transformadores que funcionan con aceite cuentan con diferentes mtodos para
su enfriamiento, de manera que el transformador se mantenga dentro de su temperatura de
operacin. Para esto cuenta con un sistema de enfriamiento compuesto de radiadores,
ventiladores y su respectivo sistema de control, adems de bombas que hacen circular el
aceite por las tuberas. Para un enfriamiento ptimo los ventiladores deben girar en sentido
correcto, adems de que el sistema de control debe de activar y desactivar a los ventiladores
y alarmas a la temperatura adecuada.
Figura 2.16 Sistema de enfriamiento de un transformador de potencia
2.3.9 Secador de silicagel
Su funcin es eliminar la humedad que pueda ingresar al aceite proveniente del
exterior, se usa en los transformadores con tanque de expansin. El silicagel consiste en un
silicato de aluminio, coloreado con un tono celeste de manera que cuando este se satura
-
19
adquiere un color rosa. En algunos casos el silicagel es blanco, pero cuenta con granos de
control los cuales si estn coloreados.
Figura 2.17 Secador de silicagel [16]
2.4 Pruebas a transformadores
Con el propsito de que los resultados obtenidos en cada prueba sean correctos y
representen el verdadero estado del equipo, adems de ser interpretados de forma correcta
existen normas internacionales que establecen el protocolo para cada una de las pruebas.
Estas son publicadas por instituciones como IEEE y ASTM. Las pruebas elctricas se
publican en la norma ANSI/IEEE C57.12.90, la cual muestra procedimientos para
determinar:
Resistencia de los devanados.
Polaridad y relacin de fases.
Pruebas de radio.
-
20
Prdidas sin carga y corriente de excitacin.
Prdidas con carga y tensin de impedancia.
Pruebas dielctricas.
Un grupo de pruebas muy importante son las que permiten evaluar la calidad del
aceite, ya que conociendo el estado de este se puede determinar: el estado del aislamiento
(papel o aceite), posibles fallas que en el momento no son tan graves, o darle un
mantenimiento preventivo para alargar su vida til. Si el papel se llegara a daar
reemplazarlo tiene un costo muy alto comparado con el costo de una unidad nueva, por lo
que tiene gran importancia conocer su estado y preservarlo el mayor tiempo posible. Los
efectos nocivos producidos por los contaminantes presentes en aceite que se impregnan en
el papel son [9]
:
Aumento del factor de potencia: los contaminantes son sustancias polares que
facilitan el camino de las corrientes de fuga en el aislamiento.
Aumento de la temperatura de operacin.
Disminucin del grado de polimerizacin.
Disminucin de la resistencia mecnica a la traccin por cristalizacin del papel.
Disminucin de la rigidez dielctrica del papel.
Falla del transformador.
Por esto que hay varias pruebas que, en conjunto, permiten determinar la presencia
y cantidad de estos contaminantes entre las que se tienen:
Rigidez dielctrica.
Factor de potencia.
Resistividad.
-
21
Tensin interfacial.
Contenido de humedad.
Color.
2.5 Aceite
El aceite utilizado en los transformadores es de naturaleza mineral, est compuesto
de una mezcla de hidrocarburos isoparafnicos naftnicos y aromticos. Este debe de tener
cualidades que lo hagan apto para el funcionamiento en equipo elctrico, en este caso
transformadores [9]
, como:
Ser un buen aislante elctrico.
Refrigerar adecuadamente el transformador.
Proteger adecuadamente las partes internas.
Buena estabilidad a la oxidacin.
Las bases de los aceites se componen de compuestos isoparafnicos entre 35 y 40
porciento, los naftnicos de un 50 a un 60 porciento y compuestos aromticos entre un 4 y
8 porciento. Se aaden inhibidores para hacer ms resistente el aceite al proceso de
oxidacin, los cuales tienen un porcentaje menor a 0,3%.
2.5.1 Proceso de degradacin de los aceites minerales
La humedad es la forma ms comn de contaminacin en el aceite, el agua puede
encontrarse disuelta en el aceite o formando pequeas gotas las cuales se unen y se
depositan en forma libre en el fondo del tanque del transformador.
-
22
Tabla 2.1 Humedad mxima permisible en el aceite [14]
Nivel de tensin (kV)
Humedad mxima (ppm)
5 30
15 30
35 25
69 20
ms de 138 15
El efecto de la humedad depende de la forma en que esta se encuentra, de manera
que si est asentada en el fondo no resultar tan perjudicial como el agua disuelta en el
aceite. Al aumentar la temperatura del aceite una mayor cantidad de agua se disuelve en
este, como se ilustra en la figura 2.18.
Figura 2.18 Relacin entre la temperatura y la cantidad de agua disuelta en el aceite [14]
La oxidacin tiene un efecto ms lento que el de la humedad, pero sus efectos son
ms graves ya que se forman productos intermedios como alcoholes y aldehdos, formando
luego cidos orgnicos que se agrupan y forman lodos. Los lodos se agrupan en los las
cavidades formadas dentro de los componentes del transformador afectando sus
condiciones de operacin normales, ya que bloquean el flujo de aceite por los ductos de
-
23
enfriamiento, causando sobrecalentamiento. Las etapas de formacin de lodo se pueden
separar en cuatro pasos [9]
:
Formacin natural de cidos orgnicos y esteres con un dimetro medio menor a de
0,03 micrones.
Los cidos y esteres se unen para formar complejos moleculares de 0,03 a 1,5
micrones de dimetro medio.
Posteriormente se forman partculas de 0,5 a 1,5 micrones de dimetro medio.
Las partculas se precipitan sobre las paredes de los componentes del transformador.
2.6 Papel aislante
El papel debe poseer cuatro caractersticas para poder operar dentro del transformador,
las cuales son [9]
:
Resistencia elctrica: capacidad de soportar altas tensiones incluidos esfuerzos de
impulso y transientes.
Resistencia mecnica a la traccin: debe soportar los esfuerzos axiales originados en
corto circuito.
Resistencia trmica y buena transferencia de calor.
Capacidad para mantener sus caractersticas deseables: el periodo de vida til debe
ser razonable, si se le da un mantenimiento adecuado, debido al alto costo que lleva
el reemplazar el papel daado.
El papel se fabrica normalmente mediante el proceso Kraft, el cual consiste en una
coccin de troncos en una solucin alcalina. Este se utiliza mayoritariamente debido a que
-
24
el papel obtenido presenta una gran resistencia elctrica y mecnica, as como una mayor
estabilidad trmica adems de tener una mejor caracterstica de envejecimiento. Algunas de
las principales caractersticas del papel Kraft son [9]
:
Aceptable resistencia a la traccin mecnica con un buen comportamiento en el
tiempo.
Presenta una alta porosidad, por lo que absorbe los productos de degradacin del
aceite desde las etapas iniciales.
Alta afinidad con el agua, especialmente en la zona inferior de las bobinas donde las
temperaturas son ms bajas.
Se comporta como catalizador en el proceso de oxidacin de los hidrocarburos del
aceite aislante.
2.6.1 Vida til del papel aislante
Existen varios factores que causan una disminucin en la vida til del papel como:
cidos, lodos, agua, esfuerzos elctricos y la temperatura, la IEEE establece que un papel
que ha perdido el 75% de la resistencia mecnica a la traccin ha finalizado su vida til.
El agua es uno de los elementos ms perjudiciales en el transformador, sin embargo
es necesario mantener cierto nivel de humedad en el papel para que este conserve sus
propiedades mecnicas. La mayor parte del agua se acumula en el papel, hasta ochocientas
veces ms que en el aceite, por lo que es importante un adecuado control de humedad en
este, ya que un 4% de masa de agua por masa de papel acelera el envejecimiento hasta en
un 450%.
Cuando el aceite roza a la superficie del papel se produce el fenmeno de
electrizacin esttica. El aceite se carga positivamente, mientras que el papel adquiere una
-
25
carga negativa. Estas cargas producen campos de corriente directa que se sobreponen al
campo de corriente alterna, y pueden ocasionar graves fallas en el transformador.
-
26
CAPTULO 3: Pruebas al aceite
Existen muchos ensayos para el aceite, la mayora son para aceites nuevos, los
cuales estn fuera del alcance del trabajo. De los ensayos para aceites en uso, basados en
normas ASTM, los ms importantes se muestran en la tabla 3.1.
Tabla 3.1 Pruebas ms importantes al aceite en campo y laboratorio [10]
Nmero de prueba ASTM
Importancia en el
campo
Importancia en el
laboratorio
Rigidez dielctrica D 877 D 1816 1 1
Color D 1500 D 1524 2 6
Factor de potencia D 924 3 4
Contenido de humedad D 1533 4 5
Tensin interfacial D 971 5 3
Acidez D 974 6 2
Algunas de las pruebas son ms adecuadas para realizarse en campo y otras el
laboratorio, ya que debido puede existir contaminacin, otras sin embargo debido a la
facilidad con que se pueden realizar toman importancia para un diagnstico en el campo.
3.1 Prueba de rigidez dielctrica
Proporciona una medida de la capacidad del aceite de soportar esfuerzos elctricos
sin fallar, y da un primer indicio de la presencia de contaminantes en el aceite, sin embargo
no se puede llegar a una conclusin del estado del aceite con base solo en esta prueba. Los
procedimientos para realizar la prueba estn especificados en las normas ASTM D 877 y
ASTM D 1816, la primera se utiliza para aceites usados y la segunda para aceites nuevos,
sin embargo debido a los nuevos diseos de los transformadores la D 1816 se est
-
27
empleando para aceites usados, sin embargo la normativa vigente es la D 877. A
continuacin se presenta una comparacin entre las dos pruebas.
Tabla 3.2 Comparacin norma ASTM D 877 y ASTM D 1816 [9]
ASTM D 877 ASTM D 1816
Geometra de los electrodos Discos de 25mm Semiesfricos de 36mm
Separacin 2,5mm entre 1 y 2 mm
Rampa 3000 V/s 500 V/s
Alcance (KV) Debajo de 6,9 KV 35-50 KV (1mm separacin)
80-90 KV (2mm separacin)
Sensibilidad a la humedad
En el rango de 30 a 80 ppm o agua libre Por debajo de 30 PPM
Aplicacin recomendada segn ASTM
Aceptacin aceite nuevo a granel o en
tambores
Aceites filtrados, desgasificados y deshidratados antes y despus de tratamiento. Aceites en
operacin.
Sensibilidad a fibras de celulosa Menos sensible Ms sensible
Con esta prueba se puede determinar la presencia de humedad, polvo y fibras de
celulosa, sin embargo no se puede establecer que contaminantes estn presentes de forma
individual solamente que existe una concentracin de ellos que afecta el valor de la rigidez
dielctrica.
Para realizar esta prueba se debe de contar con una celda de prueba, adems del
equipo medidor correspondiente el cual incluye los electrodos para la norma que se aplique.
Este equipo debe recibir un tratamiento previo a la prueba de manera que se asegure que
est en condiciones apropiadas para realizar la prueba.
-
28
Figura 3.1 Equipo de medicin rigidez dielctrica [24]
Primero se debe realizar una limpieza a los electrodos con un papel que no
desprenda fibras, seguidamente se debern enjuagar con un solvente como el keroseno
teniendo cuidado de que no se acumule humedad al evaporarse este. Cuando la celda est
limpia se enjuaga con aceite del que se va a aprobar. Antes de realizar la prueba con el
aceite, se realiza una prueba con un aceite con rigidez dielctrica conocida, si el valor
obtenido en el ensayo es semejante al terico entonces la celda esta lista para realizar las
pruebas.
Para la prueba se aplica una tensin creciente de acuerdo a la norma que se est
utilizando hasta que se produzca la tensin de ruptura. Se deben realizar al menos cinco
mediciones dando un lapso de un minuto entre cada medicin, el resultado ser el promedio
de todas las mediciones si cumple con el siguiente criterio:
(3.1)
Donde Vmax es la mxima tensin de ruptura obtenido, y Vmin el mnimo. Si la
tensin VK es menor a la segunda menor tensin obtenida en la prueba el promedio de los
valores es el resultado final, de lo contrario se debern de realizar cinco mediciones ms
con una muestra nueva y el resultado ser el promedio de las diez mediciones.
El resultado obtenido se compara con los siguientes valores, publicados por la
compaa S.D. Myers para catalogar el estado del aceite:
-
29
Tensin de ruptura mayor a 35 kV: aceite en buen estado.
Tensin de ruptura mayor a 30 kV y menor que 35 kV: aceite aceptable.
Tensin de ruptura menor a 30 kV pero mayor a 25 kV: aceite cuestionable.
Tensin de ruptura menor a 25 kV: aceite inaceptable.
3.2 Prueba de color
Esta prueba est definida por las normas ASTM D 1500 para pruebas en laboratorio
y D 1524 para pruebas en campo. La importancia de esta prueba radica en su facilidad para
realizarse adems que el equipo utilizado es muy simple.
Los aceites se comparan contra una escala de color en la cual un aceite nuevo tiene
un valor de 0,5 (blanco agua) hasta un 8 en pasos de 0,5. El equipo para medicin se
muestra a continuacin.
Figura 3.2 Comparador de aceites derivados de petrleo Lovibond [36]
Este equipo cuenta con discos con la escala, de manera que al introducir un
recipiente con agua y otro con la muestra de aceite permite visualizar la escala junto a la
referencia de agua, con el fin de comparar los colores de forma precisa.
-
30
El oscurecimiento gradual del aceite es un efecto normal, y no se produce
solamente debido a fallas ya que las sustancias presentes en el transformador desprenden
elementos que cambian su coloracin. Sin embargo si entre dos pruebas se encuentra que el
aceite se oscureci repentinamente, por ejemplo de un nivel de 4 a 7 cuando anteriormente
venia cambiando en valores de 0,5, puede indicar la existencia de fugas generadas por
arcos que producen carbn.
Adems de revisar la coloracin del aceite, se debe hacer una inspeccin visual, la
cual se define en la norma ASTM D 1524, en la cual se examina el aceite para ver si est
turbio, lo cual es un indicador de presencia de contaminantes metlicos, partculas de
aislamiento y carbn entre otros.
3.3 Prueba de factor de potencia
Esta prueba busca dar una medicin de las corrientes de fuga en el aceite, las cuales
son un indicador del deterioro del mismo. El factor de potencia se define como la relacin
entre la potencia disipada en el aceite (W) y el producto de la tensin aplicada y corriente
efectiva (VA), este valor es proporcional a la energa disipada por el aceite en forma de
calor. Si se obtiene un valor de factor de potencia alto el estado del aceite tiene
contaminantes como agua, carbn, barniz, etc.
Se realiza de forma rutinaria junto con la prueba de rigidez dielctrica a dos
temperaturas distintas. Primero se realiza con el aceite a 25C con lo que se determina la
presencia de humedad y algunas impurezas, luego al calentar el aceite a 100C la humedad
se evapor y se han disuelto otras impurezas en el aceite las cuales se pueden detectar. Se
-
31
utiliza un equipo llamado medidor de humedad y factor de potencia, la figura 3.3 muestra la
conexin del equipo.
Figura 3.3 Conexin del equipo para la prueba de factor de potencia del aceite [12]
Despus de depositar la muestra de aceite en el recipiente se coloca la tapa del
equipo la cual cuenta con un capacitor de placas paralelas, luego se aplica una tensin de
2,5 kV. El equipo mide las corrientes de fuga en el aceite y presenta el factor de potencia en
la pantalla. En caso de tener un equipo que presenta P y Q el factor de potencia se puede
calcular mediante ecuaciones como se muestra a continuacin.
-
32
Figura 3.4 Tringulo de potencia
El factor de potencia ser entonces:
(3.2)
La correccin de temperatura para 20C se presenta en la siguiente tabla.
Tabla 3.3 Valores de correccin del factor de potencia [7]
Temperatura C 1 2 3
Temperatura C 1 2 3
15 1,2 1,11 1,01 38 0,45 0,67 0,9
16 1,16 1,09 1,01 39 0,44 0,66 0,89
17 1,12 1,07 1,01 40 0,42 0,65 0,89
18 1,08 1,05 1 41 0,4 0,63 0,88
19 1,04 1,02 1 42 0,38 0,62 0,87
20 1 1 1 43 0,37 0,6 0,86
21 0,96 0,98 1 44 0,36 0,59 0,86
22 0,91 0,96 0,99 45 0,34 0,57 0,85
23 0,87 0,94 0,99 46 0,33 0,56 0,84
24 0,83 0,92 0,98 47 0,31 0,55 0,83
25 0,8 0,9 0,98 48 0,3 0,54 0,83
26 0,76 0,88 0,97 49 0,29 0,52 0,82
27 0,73 0,86 0,97 50 0,28 0,51 0,81
28 0,7 0,84 0,96 52 0,26 0,49 0,79
29 0,67 0,82 0,95 54 0,23 0,47 0,77
30 0,61 0,8 0,95 56 0,21 0,45 0,75
31 0,6 0,78 0,94 58 0,19 0,43 0,72
32 0,58 0,76 0,94 60 0,17 0,41 0,7
33 0,56 0,75 0,93 62 0,16 0,4 0,67
34 0,53 0,73 0,93 64 0,15 0,38 0,65
35 0,51 0,71 0,92 66 0,14 0,36 0,62
36 0,49 0,7 0,91 68 0,13 0,35 0,59
37 0,47 0,69 0,91 70 0,12 0,33 0,55
-
33
El aceite nuevo tiene un factor de potencia menor a 0,05% a 20C. Para aceites en
servicio se puede tomar el siguiente criterio para la calificacin del aceite (a 20C) [14]
:
Factor de potencia menor a 0,5%: aceite bueno.
Factor de potencia entre 0,5% y 2%: calidad del aceite dudosa.
Factor de potencia mayor a 2%: aceite malo.
Segn la norma ASTM D 924 a 100C el factor de potencia no debe ser mayor a
0.3.
3.4 Prueba de contenido de humedad (Mtodo de Karl Fischer)
La presencia excesiva de agua en el aceite tiene efectos negativos para el
transformador, sin embargo es necesaria una pequea cantidad de agua para que el papel
conserve sus cualidades. Uno de los mtodos ms utilizados para determinar el contenido
de humedad es el mtodo de Karl Fischer. Existe equipo disponible para realizar la prueba
en campo, sin embargo normalmente se realiza en laboratorio junto con las dems pruebas,
la siguiente figura muestra el equipo utilizado en el laboratorio, el cual realiza el anlisis de
la muestra de forma automtica.
-
34
Figura 3.5 Equipo para la prueba de contenido de humedad [32]
Esta prueba requiere de gran pericia por parte del personal que la realice, ya que se
necesita de cuidado y precisin a la hora de realizar las mediciones. Se recomienda que el
aceite se encuentre a una temperatura cercana a 20C, ya que no existen tablas de
correccin de temperatura.
Para realizar la prueba primero se enjuaga una jeringa con el aceite que va a ser
probado tres veces de manera que se eliminen todos los contaminantes que puedan estar
presentes, seguidamente se debe de pesar la jeringa en una bscula de precisin, luego se
llena la jeringa con 10cc de aceite y se toma su peso en la misma balanza, preferiblemente
en una posicin vertical. El peso del aceite se calcula mediante la resta del peso de la
jeringa llena y la jeringa vaca. Con el equipo funcionando se introduce el aceite en el
septum (figura 3.5) lentamente, en ese momento el equipo va a solicitar los datos como el
peso del aceite, los cuales se introducen en el orden correspondiente dependiendo del
modelo del equipo, el equipo calcula de forma automtica el contenido de agua en partes
por milln de aceite.
-
35
Figura 3.6 Partes de la celda de muestra para la prueba Karl Fischer [33]
Conociendo la cantidad de agua en el aceite se puede hacer una estimacin del agua
contenida en el papel aislante. La muestra de aceite para esta prueba se recomienda que
provenga de la parte superior del tanque del transformador, ya que si se toma una muestra
del fondo se corre el riesgo de que la muestra contenga parte del agua que se deposita en el
fondo del tanque produciendo resultados errneos. Se considera critico un nivel de 50 ppm
de agua en el aceite, bajo estas condiciones se puede concluir que el papel esta hmedo [10]
,
por lo que es necesario un reacondicionamiento del aceite, as como un secado del tanque
del transformador. La siguiente tabla muestra los niveles mximos de agua de acuerdo con
la tensin del tranaformador.
Tabla 3.4 Niveles crticos de agua para el aceite de acuerdo a la tensin nominal [12]
Nivel de tensin (kV) Cantidad mxima de agua en
el aceite (ppm)
Menor a 69 35
Entre 69 y 288 25
Mayor a 288 20
3.5 Pruebas de tensin interfacial y nmero de neutralizacin
Estas dos pruebas forman un conjunto de evaluacin muy importante, y los
resultados obtenidos se deben de estudiar conjuntamente debido a la relacin existente entre
-
36
ambas, la cual permite evitar errores a la hora realizar la calificacin del aceite. Un
aumento en el nmero de neutralizacin tiene un efecto inverso en la tensin interfacial.
Esta relacin se cuantifica mediante el ndice de calidad (o ndice de Myers), que se
muestra en la siguiente ecuacin:
(3.3)
Donde IFT es el la tensin interfacial (en dinas/cm) y NN el nmero de neutralizacin (en
milgramos de KOH/g). Normalmente los resultados caen dentro de las categoras de la
curva mostrada en la siguiente figura.
Figura 3.7 Relacin entre la tensin interfacial y el nmero de neutralizacin [12]
.
Hay siete categoras para calificar el aceite, la siguiente tabla muestra la calificacin
del aceite segn los valores de NN e IFT, as como el ndice de calidad. En algunas
categoras existe un traslape entre los valores de NN, IFT y el ndice de calidad, esto es
porque el aceite debe de cumplir todos los criterios para caer en una de las categoras, si se
da el caso de que cumple dos requisitos pero no el tercero entonces se debe calificar en una
-
37
escala menor. La figura 3.8 muestra la escala de las categoras desde aceite nuevo, hasta un
aceite en psimas condiciones de acuerdo al resultado en el ndice de calidad.
Figura 3.8 Calificacin del aceite de acuerdo al ndice de calidad [12]
Tabla 3.5 Calificacin del aceite segn ndice de calidad [10]
Valores de NN - TIF Color del aceite ndice de calidad Calificacin del aceite
NN 0.00 a 0.10
Amarillo claro 300 a 1500 o
ms Aceite bueno TIF 30.0 a 45.0
NN 0.05 a 0.10
Amarillo claro 271 - 600 Aceite a ser tenido en
observacin TIF 27.1 a 29.9
NN 0.11 a 0.15
Amarillo oscuro 160 - 318 Aceite marginal TIF 24.0 a 27.0
NN 0.16 a 0.40
mbar 45 - 159 Aceite malo TIF 18.0 a 23.9
NN 0.41 a 0.65
Caf 22 - 44 Aceite muy malo TIF 14.0 a 17.9
NN 0.66 a 1.50
Caf oscuro 6 - 21 Aceite extremadamente malo TIF 9.0 a 13.9
NN 1.51 o ms
Negro
Aceite en condicin desastrosa TIF 9 o menos
-
38
3.5.1 Prueba de tensin interfacial
Esta prueba mide la fuerza de atraccin entre las molculas de agua y aceite en el
plano en que ambos lquidos estn en contacto, el resultado se expresa en dinas/m o
dinas/cm. La tensin interfacial se ve afectada por productos polares que se encuentran
disueltos en el aceite como partculas de polvo y productos de oxidacin, ya que estos
aumentan la afinidad del aceite con el agua.
La prueba bsicamente mide la fuerza que se requiere para pasar un anillo de platino
por la interfaz de la mezcla agua aceite contenida en un beaker. El equipo de medicin se
muestra en la siguiente figura.
Figura 3.9 Equipo para la medicin de la tensin interfacial Lauda [34]
La muestra del aceite se debe pasar por un filtro del papel y un embudo, el aceite
filtrado se deposita en un recipiente limpio. Antes de realizar la prueba se debe calibrar el
equipo de acuerdo a los procedimientos indicados en el manual de usuario.
Despus de tener el equipo calibrado se debe de agregar en el recipiente del equipo
60 cm3 de agua destilada, y el anillo se sumerge 6 cm por debajo del nivel del agua. Luego
-
39
se vierte el aceite filtrado muy lentamente en el recipiente con el agua. Ya con la muestra
lista junto con el agua se enciende la mquina y se programa para realizar la prueba, el
equipo automticamente muestra los resultados para la tensin interfacial de esa muestra.
Se debe aclarar que es importante conocer el funcionamiento del equipo, para eso se
recomienda estudiar el manual del usuario del tensimetro.
Esta prueba se complementa con la de acidez, como se explic anteriormente, ya
que en base a los resultados se puede determinar la existencia de lodos en el aceite o si
estos estn prontos a formarse (una IFT de menor a 22 dinas/cm indica la precipitacin de
lodos [12]
). Se ha establecido que una tensin interfacial menor a 15 dinas/cm indica la
presencia de lodos en el aceite, y 15 a 22 dinas/cm que la concentracin de estos no es muy
grande, sin embargo se estn comenzando a formar en el aceite por lo que es conveniente
realizar controles ms seguidos o realizar un tratamiento de recuperacin al aceite.
3.5.2 Prueba de nmero de neutralizacin (acidez)
Un aceite con bajo nivel de acidez tiene caractersticas importantes ya que presenta
una baja conductividad elctrica y disminuye la corrosin de los metales en el interior del
transformador de manera que la vida til no se vea reducida.
Antes de realizar la prueba se debe tener listos los reactivos, los cuales son:
fenolftalena, la cual funciona como indicador; alcohol desnaturalizado y solucin de KOH.
El beaker (el cual debe de contar con una tapa) debe ser enjuagado primero con el alcohol y
luego con una pequea parte de la muestra de aceite.
Para realizar la prueba primero se debe de llenar un beaker con la muestra de aceite,
la cual deber ser filtrada, hasta la marca de 20 mililitros seguidamente se le aaden 2 gotas
de fenolftalena con el gotero. Se debe determinar si la acidez de la prueba es mayor que la
-
40
de un valor fijado anteriormente, para esto se aade un volumen apropiado de KOH y la
mezcla se agita por 10 segundos, luego se deja reposar. En este momento se forma una
pelcula acuosa, si esta tiene una coloracin rosa la acidez es menor que el valor fijado
anteriormente. Para determinar la acidez se agregan cantidades de 0,25 ml de KOH y se
agita cada vez dejando luego reposar. Esto se realiza hasta que la pelcula acuosa tome una
coloracin rosa. El valor de acidez se calcula con la ecuacin (3.4).
(3.4)
Para esta prueba se requiere de personal capacitado, ya que se manejan qumicos
que pueden ser peligrosos, adems de la pericia que se requiere para tomar las mediciones
de forma correcta y poder dar un resultado correcto.
Conforme el aceite del transformador envejece se van formando cidos, los cuales
son producto de la oxidacin, los que a su vez en etapas ms crticas se unen y forman
lodos. Se ha encontrado que los lodos se comienzan a formar cuando la acidez es 0.1
mgKOH/g y la precipitacin del mismo en el interior del transformador ocurre cuando
el aceite alcanza valores de acidez por arriba de 0.4 mgKOH/g [12]
.
3.6 Densidad relativa del aceite
La densidad relativa o gravedad especfica de un lquido es la relacin entre la masa
de este comparada con la de otro lquido utilizado como estndar (normalmente agua) a la
misma temperatura, esta se calcula con la ecuacin (3.5), y se encuentra en la norma ASTM
D 1298.
(3.5)
-
41
Se debe tener cuidado que las masas medidas correspondan a un volumen igual de
lquido tanto para el aceite como para el agua, el volumen se deber estimar tomando en
consideracin la precisin de la balanza que se utilice y de la precisin de la pipeta.
El instrumento especializado para la prueba es un densmetro especial para lquidos
con densidad mayor a la del agua (figura 3.10) el cual est formado por un cilindro de
vidrio con uno de sus extremos abiertos para introducir la muestra y una burbuja calibrada
con un peso, al introducir el lquido la burbuja experimenta una fuerza que la empuja hacia
arriba, esta fuerza se relaciona con la densidad relativa mediante una escala.
Figura 3.10 Densmetro [37]
Dependiendo de la coloracin del lquido la lectura se debe realizar a nivel del
lquido se realiza a nivel de la superficie del lquido para lquidos claros o en la parte
superior del menisco para lquidos opacos.
-
42
Figura 3.11 Lectura del densmetro para (a) lquidos opacos y (b) lquidos transparentes []
La lectura del densmetro deber ser corregida en caso de que la muestra se
encuentre a una temperatura distinta de la temperatura a la cual fue calibrado el densmetro.
En caso de temperaturas diferentes se deber realizar la siguiente correccin:
(3.6)
Donde:
r es la lectura del densmetro a la temperatura de referencia r (C).
t la lectura del densmetro cuya temperatura de referencia es t (C).
Con esta prueba se puede realizar un diagnostico rpido al aceite para detectar la
presencia de contaminantes como el policlorhidatro de bifenilo el cual es un agente
cancergeno. En los aceites nuevos la gravedad especfica es aproximadamente 0.875, en un
aceite usado esta deber ser menor a 1.
3.7 Prueba de cantidad de inhibidor
El inhibidor es un aditivo que se le agrega a los aceites para reducir la tasa de
oxidacin de estos, estos retardan la oxidacin hasta que llegan a consumirse. La tasa de
consumo de los inhibidores depende de la cantidad de oxigeno, contaminantes y de la
temperatura del aceite.
-
43
Al realizar un tratamiento de recuperacin al aceite los inhibidores no se ven
recuperados, de hecho algunos tratamientos, como el caso del tratamiento de Tierra Fuller
remueve los inhibidores que puedan quedar en el aceite. De manera que para recuperar este
compuesto en el aceite se debe aadir manualmente inhibidores al aceite.
Es importante agregar el inhibidor que se utilice en el momento al aceite despus de
haber realizado el tratamiento de recuperacin, para detener la oxidacin en este. La
siguiente tabla muestra la cantidad de DBPC por cantidad de aceite.
Tabla 3.6 Cantidad de inhibidor [12]
Porcentaje de DBPC por masa
de aceite
Kilogramos de DBPC por 1000 litros de aceite
Libras de DBPC por 100 galones de aceite
0,1 0,9 0,7
0,2 1,8 1,5
0,3 2,6 2,2
0,4 3,5 3
0,6 5,3 4,4
0,8 7 5,9
3.8 Prueba de resistividad del aceite
Esta prueba se realiza colocando una muestra de aceite en una copa y luego se introduce en
esta una celda Biddle. Esta celda est conectada a un medidor de aislamiento, el cual mide
la resistividad de la muestra de aceite. Se aplica una tensin de 5 kV en corriente directa y
la lectura obtenida mediante el equipo se multiplica por un factor de correccin de 1000 [],
el cual puede ser distinto dependiendo de la marca y modelo del equipo utilizado. La
resistividad del aceite debe ser aproximadamente 50000 M.
3.9 Prueba de cromatografa de gases
Esta prueba consiste en analizar los gases que se encuentran en el aceite del
transformador, de manera que dependiendo del tipo y la cantidad de estos se puede
-
44
establecer el tipo y la gravedad de la falla. Estos gases pueden encontrarse disueltos en el
aceite, en un colchn de gas sobre el aceite en el tanque, y en dispositivos de recoleccin de
gases, los cuales se encuentran junto con el rel Buchholz. Esta prueba se realiza de forma
rutinaria o para determinar el tipo de falla que se produjo en el equipo.
Los tipos de fallas se pueden dividir en fallas trmicas y fallas elctricas.
Fallas trmicas: se producen en el rango de temperaturas entre los 150C y 500C,
producen gases como hidrgeno, metano adems de pequeas cantidades de etano y etileno.
A medida que la temperatura aumenta se produce ms hidrgeno que metano aumentando
adems las cantidades de etano y etileno producido.
Figura 3.12 Concentracin de gases en funcin de la temperatura [12]
Fallas elctricas: se clasifican en fallas de baja y alta intensidad. Las primeras
pueden elevar la temperatura hasta 700C producindose principalmente hidrgeno y
metano en menor cantidad junto con pequeas cantidades de acetileno. A medida que la
intensidad de la falla aumenta se forma acetileno y etileno en cantidades mayores. En las
-
45
descargas de alta intensidad la temperatura se eleva hasta los 1800C de manera que el
acetileno es el gas que se produce en mayor cantidad.
Se debe determinar tambin la tasa con la que se est produciendo el gas, la cual si
es mayor a 0.028m3 al da indica la existencia de una falla activa dentro del equipo.
(3.7)
Donde:
R: tasa de generacin del gas (pies3/da), 1 pie
3/da equivale a 0.0028 m
3/da.
S0: suma de las concentraciones de gases combustibles de la primera muestra (ppm).
ST: suma de las concentraciones de gases combustibles de la segunda muestra en partes por
milln.
V: volumen del tanque principal del transformador (galones).
T: tiempo (das).
Las siguientes figuras presentan los perfiles cromatogrficos para los gases
producidos por distintos tipos de fallas.
Figura 3.13 Perfil cromatogrfico del aceite sobrecalentado [12]
-
46
Figura 3.14 Perfil cromatogrfico del papel sobrecalentado
[12]
Figura 3.15 Perfil cromatogfico del efecto corona
[12]
-
47
Figura 3.16 Perfil cromatogrfico del arco externo
[12]
-
48
CAPTULO 4: Pruebas elctricas
Dentro de esta seccin se detallan las pruebas realizadas a los transformadores
mediante la aplicacin de tensiones en corriente directa y corriente alterna los componentes
del transformador como aislamiento, bushings, devanados. Estas pruebas buscan determinar
parmetros como:
Resistencia de los devanados.
Factor de potencia del aislamiento.
Resistencia de los aislamientos.
Relacin de transformacin.
Estado de los bushings y descargadores de sobretensin.
Falsos contactos o puntos calientes.
Al realizar estas pruebas se comienza con las que utilizan equipo de corriente directa
para pasar a las pruebas de de corriente alterna.
4.1 Prueba de resistencia de los devanados
En esta prueba se busca determinar el valor de resistencia del cable del que se
componen los devanados el cual se puede comparar con el valor brindado por el fabricante
al realizar las pruebas en la fbrica y as determinar que las conexiones dentro del
transformador estn bien. Estas mediciones se hacen entre fases (para transformadores
trifsicos), entre las cuales se tienen las siguientes combinaciones:
H1 H2 y X1 - X2.
H1 H3 y X1 - X3.
H2 H3 y X2 - X3.
-
49
Para medir la resistencia existen dos mtodos, el primero utiliza voltmetros y
ampermetros para calcular la resistencia mediante la Ley de Ohm y el otro calcula la
resistencia mediante un puente Kelvin (o Wheastone), circuito que viene incorporado en el
equipo para medicin de resistencia, este ltimo mtodo es el ms utilizado.
4.1.1 Medicin mediante ampermetro y voltmetro
En algunos casos este mtodo resulta ms fcil de aplicar que el mtodo de puente,
y debe ser aplicado solamente cuando la corriente nominal de los devanados sea mayor a 1
A. La siguiente figura muestra el circuito de medicin de resistencia.
Figura 4.1 Circuito para la medicin de resistencia de los devanados mediante ampermetros y
voltmetros [6]
El valor de la resistencia se calcula mediante la Ley de Ohm (ecuacin 2.7).
Para minimizar los errores de medicin la IEEE en su norma C57.12.90-1999
recomienda:
Mantener la polaridad de la magnetizacin del ncleo constante durante todas las
mediciones.
Las terminales de medicin de los voltmetros deben ser independientes de las de
los ampermetros y se deben conectar lo ms cerca posible de las terminales de los
devanados y estos deben ser desconectados antes de apagar la fuente de tensin.
Tomar las medidas hasta que los valores de tensin y corriente se hayan
estabilizado. La resistencia insertada en serie con la fuente que se muestra en la
-
50
figura 5.1 reduce el tiempo de estabilizacin de la corriente, y su valor debe ser
grande comparado con la inductancia del devanado.
La corriente aplicada al devanado no debe superar el 15% de la corriente nominal
del transformador, ya que con corrientes mayores se calientan los devanados lo que
puede ocasionar resultados errneos.
4.1.2 Medicin mediante puente Kelvin
El puente Kelvin es una variacin del puente Wheastone, se utiliza para determinar
valores de resistencia menores a 1 . El circuito bsico del puente Kelvin se muestra en la
figura 4.2:
Figura 4.2 Puente Kelvin [27]
Este circuito se encuentra incorporado en el medidor de resistencia, el cual
automticamente mide la resistencia mediante la aplicacin de una tensin CC a los
devanados. Un ejemplo del equipo se muestra en la figura 4.3, el cual puede medir
resistencias en un intervalo de 1 hasta 500 y guardar los valores directamente en la
computadora o imprimirlos en el sitio.
-
51
Figura 4.3 Medidor de resistencia de bobinados WRM-40 [28]
El valor de resistencia obtenido en la prueba no representa los valores de resistencia
entre fases, estos se debern calcular mediante el uso de ecuaciones dependiendo del tipo
de conexin de los devanados. Para la conexin en estrella se tiene:
Figura 4.4 Resistencia de los devanados para la conexin en estrella
(4.1)
(4.2)
(4.3)
-
52
Para el caso de devanados en delta la resistencia de cada fase se determina mediante
las ecuaciones (4.4) a (4.6):
Figura 4.5 Resistencia de los devanados para la conexin en delta
(4.4)
(4.5)
(4.6)
Los valores calculados anteriormente se deben de normalizar a una temperatura de
20C a fin de ser comparados con mediciones futuras o con los valores calculados por el
fabricante del equipo, esto se realiza con la ecuacin (4.7).
(4.7)
Donde:
Rs: resistencia a la temperatura deseada, en este caso 20C.
Rm: resistencia medida.
-
53
Ts: temperatura deseada de referencia, en este caso 20C.
Tm: temperatura a la que la resistencia fue medida, en grados centgrados.
Tk: 234.5C para el cobre 0 225C para el aluminio.
En transformadores inmersos en aceite la temperatura de los devanados se puede asumir
igual a la del aceite si [6]
:
a) Los devanados han estado sumergidos en el aceite sin excitacin y sin que ninguna
corriente fluya por los devanados por un lapso de tres a ocho horas dependiendo del
tamao del transformador antes de medir la resistencia en frio.
b) La temperatura del lquido aislante se ha estabilizado, de manera que la diferencia entre
la parte superior y la inferior del tanque no excede los 5C.
Para transformadores en seco la temperatura de los devanados se debe asumir como el
promedio de las lecturas realizadas con varios termmetros tomados entre las vueltas de los
devanados.
4.2 Prueba de relacin de transformacin
Las consideraciones que se deben tomar a la hora de realizar esta prueba vienen
detalladas en la norma ANSI/IEEE C57.12.90. El objetivo de la prueba es comprobar que la
relacin de vueltas sea la correcta de acuerdo a las especificaciones del transformador y se
debe realizar para cada posicin del tap.
La prueba se realiza con un equipo llamado medidor de relacin de transformacin
(TTR) y el procedimiento bsico consiste en aplicar una tensin AC en el devanado
primario y medir la tensin en el secundario, la relacin de transformacin se calcula con la
ecuacin (2.1). El equipo para realizar esta prueba se muestra a continuacin, el cual
calcula la relacin de vueltas automticamente y muestra los resultados en pantalla.
-
54
Figura 4.6 Equipo de medicin de relacin de transformacin (TTR) Megger [29]
Figura 4.7 Conexiones bsicas de medidor de relacin de transformacin marca Vanguard
[12]
El TTR calcula automticamente la relacin de transformacin midiendo la tensin
aplicada en el primario y la tensin en el secundario y muestra en pantalla la tensin en el
primario, secundario y la relacin de transformacin.
Antes de realizar la prueba se debe aterrizar el equipo de prueba as como el
transformador de manera que cualquier corriente inducida por las lneas de transmisin
cercanas sea llevada a tierra sin que afecte la medicin, el equipo y el personal. Despus
-
55
conectar el equipo a las terminales del transformador se introduce el tipo de conexin de los
devanados en el men del TTR, adems se debe de numerar cada devanado con 1, 2 y 3 con
el fin de identificarlos a la hora de realizar las mediciones. Cuando todos los datos se han
ingresado y con los cables conectados a cada terminal del transformador segn corresponda
se selecciona iniciar prueba de manera que el equipo comience a realizar las mediciones.
Los datos pueden ser impresos en el sitio, visualizados en la pantalla o guardados
directamente en una computadora para su anlisis posterior.
La diferencia mxima entre la relacin de vueltas de los devanados (N2/N1) y la
relacin de tensin en vaco (E2/E1) so debe ser mayor a un +/- 0.5%, de acuerdo con la
norma IEEE C57.12.00-1993.
4.3 Prueba resistencia del aislamiento
El objetivo de esa prueba es determinar las corrientes de fuga que existan entre dos
elementos del transformador, por ejemplo entre devanados y tierra, entre devanados y entre
devanados y el tanque. Se miden tres puntos:
Devanado de alto contra devanado de baja: al realizar esta prueba se mide la
resistencia del papel aislante.
Devanado de alta contra tanque del transformador: se mide la resistencia conjunta
del papel aislante del devanado de alta con la del aceite aislante.
Devanado de baja contra tanque del transformador: de igual forma que el anterior
solamente que se mide el papel aislante del devanado de baja.
En caso de transformadores de tres devanados se realizan las siguientes conexiones
[14]:
Alta contra baja, terciario y tierra.
-
56
Terciario contra alta, baja y tierra.
Baja contra alta, baja y tierra.
Alta, baja y terciario contra tierra.
Alta y terciario contra baja y tierra.
Alta y baja contra terciario y tierra.
A la hora de realizar las pruebas las terminales de cada devanado se cortocircuitan y
se realiza la prueba aplicando una tensin CC de 15 kV, se puede aplicar una tensin mayor
a esta, sin embargo a pesar de que los resultados sern ms confiables se debe tener
precaucin de no aplicar una tensin muy alta que ocasione un dao al transformador.
El equipo utilizado es un megohmetro, el cual da la resistencia del aislamiento en
M, y se presenta en la siguiente figura.
Figura 4.8 Megohmetro Megger [14]
Se cortocircuitan los devanados del transformador, tanto el primario como el
secundario y se aplica la tensin de prueba, si uno de los devanados no se va a probar este
se deber aterrizar.
-
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La resistencia de los aislamientos se ve afectada por factores como humedad y
temperatura, por lo que se deben corregir con ayuda de la siguiente tabla a una temperatura
estndar de 20C.
Al conectar el equipo la aguja de medicin comenzar a oscilar, hasta que llega un
punto en que se estabiliza. En este momento se debe esperar un minuto para comenzar a
tomar las lecturas las cuales se toman a los cada 15 segundos el primer minuto y luego cada
minuto hasta llegar a los diez minutos. Al finalizar se deben conectar las terminales del
equipo a tierra para eliminar cualquier carga que pueda permanecer en el equipo. Se debe
dar un tiempo de descarga igual al que el transformador permaneci energizado si se desea
realizar la prueba nuevamente. Las figuras 4.9 y 4.10 muestran las conexiones tanto para
transformadores trifsicos como monofsicos.
Tabla 4.1 Factores de correccin de la resistencia de los aislamientos [14]
Temperatura (C) Con aceite Tipo seco
0 0.25 0.40
5 0.36 0.45
10 0.50 0.50
15.6 0.74 0.75
20 1.00 1.00
25 1.40 1.30
30 1.98 1.60
35 2.80 2.05
40 3.95 2.50
45 5.60 3.25
50 7.85 4.00
55 11.20 5.20
60 15.85 6.40
65 22.40 8.70
-
58
En caso de que la temperatura sea distinta a las que aparecen en las lista se puede
realizar una interpolacin para obtener el factor de correccin. La ecuacin (4.8) muestra la
ecuacin para una interpolacin lineal.
(4.8)
Donde:
y: valor de factor de correccin deseado.
y1: valor de factor de correccin correspondiente a la temperatura anterior.
y2: valor de factor de correccin correspondiente a la temperatura posterior.
x: temperatura a la que se desea encontrar el factor de correccin.
x1: temperatura anterior a la deseada.
x2: temperatura posterior a la deseada.
Figura 4.9 Conexiones para transformadores monofsicos [14]
-
59
Figura 4.10 Conexiones para transformadores trifsicos [14]
Los valores comunes para resistencia de aislamiento para transformadores de
potencia y distribucin se muestran a continuacin.
Tabla 4.2 Valores de resistencia de aislamiento para transformadores de potencia y distribucin
[14]
Tensin de los devanados del transformador
(kV) Resistencia devanado -
20C 30C 40C 50C 60C
6.6 400 200 100 50 25
6.6-19 800 400 200 100 50
22-45 1000 500 250 125 65
Mayor de 66 1200 600 300 100 75
En la prctica la forma ms confiable de calcular la resistencia mnima del
aislamiento es mediante la ecuacin (4.9) la cual relaciona la resistencia mnima a un
-
60
minuto del aislamiento en funcin de la tensin del devanado bajo prueba y su capacidad
nominal.
(4.9)
Donde:
R1m: resistencia mnima del aislamiento a un minuto de prueba.
C: constante para mediciones a 20C, ver tabla 4.3.
E: tensin de la bobina bajo prueba.
kVA: potencia nominal del devanado bajo prueba.
Esto para transformadores monofsicos. Para transformadores trifsicos E ser la
tensin de las bobinas de una sola de las fases (fase fase para devanados en delta y fase a
neutro p