Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Arequipa
Per Noviembre 2012
NUEVAS TECNOLOGAS DE EVALUACIN DE LA CONDICIN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
1
Contenido: Fundamentos sobre el Factor de Potencia / Disipacin Objetivos Metodologa Ensayos en Transformadores Mtodos de pruebas Correccin de temperatura Interpretacin de los resultados Pruebas de Tip-UP Ensayos en Bushings Ensayos en el Aceite Referencias Recomendadas
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
(Source: Waukesha)
2
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Introduccin
Todo sistema de aislamiento sin importar su condicin tiene una cantidad medible de prdidas dielctricas.
El envejecimiento del material aislante es causa un incremento en las prdidas del dielctrico.
3
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Objetivo
Es una tcnica de prueba elctrica que aplica una tensin alterna para medir la corriente de fuga/prdida en el aislamiento elctrico.
El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tg (factor de disipacin o factor de potencia) de las diferentes combinaciones del sistema de aislamiento del transformador y del aislamiento de los bushings.
Defectos detectables
Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios fsicos en su estructura al cabo de solicitaciones electromecnicas.
El factor de disipacin tambin es sensible a cambios en la estructura del aislamiento ocasionados por contaminacin, humedad o envejecimiento.
En cualquiera de los casos, el factor de disipacin da una idea de las prdidas dielctricas del aislamiento.
4
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Fundamentos
En un sistema de aislamiento ideal conectado a una fuente de tensin alterna, la corriente es 100% capacitiva y adelanta a la tensin en 90 grados exactamente.
= = Capacitancia =
Us
Ic Ic
5
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Fundamentos
No existe ningn aislamiento ideal. Una pequea cantidad de corriente fluye a travs del material aislante y se denomina corriente de fuga.
La corriente de fuga se compone de dos elementos. a. Corriente Resistiva
b. Corriente Capacitiva
En condiciones reales de aislamiento, adicionalmente a la corriente capacitiva, aparece una corriente resistiva (prdidas) en fase con la tensin.
El valor de la capacitancia de un capacitor depende de las caractersticas del material dielctrico y de su geometra. Si las caractersticas del material dielctrico o la configuracin del capacitor cambia, indefectiblemente cambiar el valor de la capacitancia.
6
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Fundamentos
La relacin entre la componente resistiva y la componente capacitiva es la denominada tg o factor de disipacin.
La relacin entre la corriente resistiva y la corriente total que circula por el dielctrico se denomina factor de potencia.
(fi)
= 90-
7
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Factor de disipacin o Factor de Potencia?
tg () =tg (90-)
cos ()
8
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Factor de Disipacin o Factor de Potencia?
tg () =tg (90-) cos ()
Factor de Disipacin
Factor de Potencia
9
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo
Se aplica tpicamente 10kV AC. No se debe exceder el valor la tensin nominal del espcimen bajo prueba.
Medicin a. Corriente de prdida (mA)
b. Prdidas de Potencia (W)
c. Capacitancia (pF)
10
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo
Equipos de prueba de FP / FD Utilizacin en Evaluacin de Aparatos Elctricos:
a. Transformadores
b. Interruptores Automticos
c. Maquinaria Rotantes
d. Lquidos Aislantes
e. Bujes de alta tensin
f. Otros
11
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo - Aplicaciones
Sistemas de Aislamiento Papel/Aceite
Factor de Potencia no es dependiente con la tensin (Tericamente).
Aislamiento tipo Seco
Factor de Potencia es dependiente con la tensin.
12
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo
Modos de Prueba en Transformadores: a. Ungrounded Specimen Test (UST) b. Grounded Specimen Test (GST) c. Grounded Specimen Test with Guard Connection (GST-G) d. Corriente de Excitacin e. Prueba Tip-up
13
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Pruebas de FP en Transformadores
DELTA4310 12 kV Insulation Diagnostic System
14
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Generalidades
Circuito Elctrico Integridad de Conductor / Devanado Relacin de Transformacin y Polaridad (TTR) Resistencia DC de Devanados
Circuito Elctrico Integridad del Ncleo Magntico Prueba de Circuito Abierto sin carga (Corriente de Excitacin) Prueba de Cortocircuito (Prdidas de Carga o Reactancia de Dispersin)
Integridad del Aislamiento Elctrico DC Resistencia de Aislamiento AC Factor de Potencia / Factor de Disipacin (Tangente Delta) Pruebas de aislamiento del Aceite Humedad en la celulosa (DFR)
Integridad Mecnica SFRA
15
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Transformador - Circuito Dielctrico
El aislamiento dielctrico es representado por un modelo de tipo capacitivo, es decir: Consiste de 2 electrodos conductivos, separados a una cierta distancia. Con un tipo especfico de material entre los electrodos.
16
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Transformador - Circuito Capacitivo del aislamiento
Circuito capacitivo equivalente del aislamiento Transformador de Potencia sin devanado Terciario
(Fuente: National Grid )
= =
17
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Transformadores
Para un diagnstico integral del aislamiento es recomendable medir las capacitancias y tg asociadas para cada una de los aislamientos intervinientes: a. Arrollamientos Primarios y Secundarios b. Arrollamientos Primarios y Terciarios c. Arrollamientos Secundario y Terciarios d. Arrollamientos y cuba
18
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Modos de Prueba
Ungrounded Specimen Test (UST)
Esta prueba se realiza cuando ambos terminales del espcimen de prueba estn aislados con respecto a tierra.
Esta prueba se realiza para mediciones separadas en sistemas complejos de aislamiento.
19
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Modos de Prueba
Grounded Specimen Test (GST)
Esta es la conexin de prueba mas frecuentemente utilizada e involucra todo el aislamiento entre el conductor de alta tensin y el sistema de puesta a tierra.
20
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Modos de Prueba
Grounded Specimen Test with Guard (GST-g)
Esta prueba se utiliza para separar los valores totales de la prueba GST en partes separadas para un mejor anlisis.
21
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Modos de Prueba
Resumen:
GST with Guard
Guard
GST UST
22
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Modos de Prueba
Resumen:
Ungrounded Specimen Test
Grounded Specimen Test
Grounded Specimen Test with Guard
Ground Red Blue
Ground Red Blue
Ground Red Blue
Medicin
23
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Transformadores de dos arrollamientos
24
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Transformadores de dos arrollamientos
25
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Resultados
26
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Dependencia de la temperatura
Las caractersticas del factor de disipacin un dielctrico son dependientes de la temperatura.
Es fundamental registrar los valores de temperatura (Cul temperatura?), para poder referirlos a una temperatura de referencia (normalmente 20C) y poder de comparar las desviaciones.
Como corregir los valores de factor de disipacin con la temperatura?
27
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Correccin de temperatura: Criterio IEEE Std C57.12.90-2006
tg (20 C) = tg (xC) / K
Cul es la temperatura del sistema aislante al momento de las pruebas?
28
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Dependencia de la temperatura
29
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Curvas Tpicas de Correccin de Temperatura
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Typical temp correction, Power Transformers (IEEE C57.12.90) Typical temp correction, Bushings
30
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Dependencia de la temperatura
IEEE C57.12.90 seccin 10.10.4 Nota 3 (b) indica La experiencia ha mostrado que la variacin de factor de potencia por la temperatura es sustancial y errtico de tal manera que ninguna de las curvas se ajusta para todos los casos:
Experience has shown that the variation in power factor with temperature is substantial and erratic so that no single correction curve will fit all cases.
Aplicacin de Correccin por temperatura para pruebas FP en transformadores y Bujes Caso de Estudio Power Grid Corporation of India Limited
31
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Factor de Disipacin en diferentes bushings
32
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Correccin de Temperatura en Pruebas FP
Las propiedades del sistema de aislamiento varan con la temperatura. Sera posible conocer las caractersticas de ese sistema de aislamiento
a diferentes temperaturas e identificar cada estado de alguna manera (huella, curva, etc)?
Prueba de barrido en frecuencia de la tg
33
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Correccin de Temperatura en Pruebas FP
34
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Dependencia Trmica Real del Aislamiento con Individual Temperature Correction, (ITC)
La correccin de temperatura en los equipos tradicionales se realiza mediante la utilizacin de tablas estadsticas y curvas de correccin dadas para diferentes tipos de materiales aislantes. Los valores medidos se referencian a condiciones de (20C/68F).
En realidad no hay equipo que corresponda exactamente al valor de tabla y por ejemplo transformadores nuevos y viejos difieren sobremanera con respecto a las tablas propuestas por IEC, IEEE y otros.
Con ITC Delta 4000 estima la dependencia Trmica real del objeto de prueba al medir FD sobre un rango de frecuencia determinado y luego matemticamente calculada la correccin de temperatura a 20 C., esto resulta en mediciones mas precisas y una mejor evaluacin de la condicin del material aislante.
35
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Interpretacin de los resultados
a) Incrementos en el factor de potencia pueden deberse a:
Contaminacin en el sistema de aislamiento Deterioro Qumico Daos por sobrecalentamiento Presencia de humedad
b) Si el sistema de aislamiento es dependiente de la tensin aplicada, la prueba tip-up puede identificar ionizacin, carbonizacin en el aceite, contaminacin en el papel o aceite.
c) Variaciones en capacitancia indican:
Deformaciones mecnicas en las estructuras de ncleo/bobinas Humedad
36
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Interpretacin de los resultados
Factor de disipacin [%] Estado
0.5 Bueno
0.5 - 0.7 Deterioro normal
0.7 - 1 Requiere investigacin
> 1 Deterioro excesivo
Para analizar las tendencias de los valores de la capacitancia, se compraran las sucesivas mediciones respecto a los valores de referencia, cuyas desviaciones no debieran ser superiores al 10%.
37
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Interpretacin de los resultados
Factor de potencia [%]
Estado
0.5 Bueno
0.5 - 0.7 Deterioro normal
0.7 - 1 Requiere investigacin
> 1 Deterioro excesivo
38
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Prueba Tip - Up: Dependencia de la Tensin
Tpicamente se realiza esta prueba en mquinas elctricas rotativas donde el Factor de Potencia se mide como una funcin de la tensin de prueba. por qu razn?
Norma de aplicacin: IEEE Std 286-2000 (R2006)
(Fuente: Ramakrishna Electrical Winding Works)
39
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Prueba Tip - Up: Dependencia de la Tensin
La prueba de Factor de Potencia se realiza normalmente a 10 kV o los resultados obtenidos se corrigen a 10 kV equivalente.
Con la tecnologa de medicin disponible hoy en da, la prueba se puede realizar a cualquier tensin en el rango de 27 V a 12 kV.
Todo depende del tipo de espcimen y las condiciones de prueba.
Prueba Tip - Up: Ventajas
Inmunizacin contra interferencia electrosttica presente en subestaciones.
La seal en AT provee una mejor relacin seal/ruido (SNR). La seal de prueba en AT provee resultados mas precisos y exactos.
40
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Prueba Tip - Up: Dependencia de la Tensin
La prueba Tip-up de FP se usa como control de calidad en devanados recientemente fabricados.
El anlisis se realiza en una base estadstica. Generalmente la relacin PF vs. Tensin se grafica y la gradiente es
calculada entre los valores de voltaje seleccionados.
Los valores permisibles se definen dependiendo del diseo del devanado y otros muchos factores.
Variaciones en la prueba tip-up son indicativas de variacin en las condiciones del aislamiento de los devanados, estrs en los terminales de los devanados o en las estructuras de soporte.
41
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Prueba Tip - Up: Dependencia de la Tensin
Tres valores a considerarse: 1) El valor inicial de FP al primer valor de tensin de prueba; ej., a 0.2
Un (20%).
2) El valor de gradiente de FP entre dos tensiones de prueba diferentes; ej., entre 0.8 Un (80%) y 0.2 Un (20%).
3) El valor de gradiente de FP entre cada valor de tensin sucesivo de prueba; ej., entre 0.2 Un (20%) y 0.1 Un (10%), 0.3 Un (30%) y 0.2 Un (20%), etc.
42
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Prueba Tip - Up: Dependencia de la Tensin
El gradiente de Factor de Potencia es sensible a: 1) Inclusiones gaseosas en el aislamiento.
2) Daos por descargas parciales en el aislamiento.
3) La continuidad de la superficie semiconductora.
4) La calidad del proceso de impregnacin en sistemas tipo resina.
5) De-laminacin como resultado del estrs trmico.
43
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Prueba Tip - Up: Dependencia de la Tensin
La prueba Tip-up ayuda a determinar la presencia de inclusiones gaseosas en el sistema de aislamiento tipo seco.
44
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Capacitancia y tg: Resumen
Se miden diferentes combinaciones del aislamiento (arrollamientos y bushings); el uso de guardas es fundamental.
La prueba TIP-UP es muy til para determinar contaminacin del sistema aislante.
Para un correcto anlisis del factor de disipacin deben realizarse correcciones por temperatura.
si no
DELTA 4000/4300
45
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Capacitancia y tg de Bushings
46
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (I)
Objetivo
El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tg (factor de disipacin) del bushing (C1 y C2).
Defectos detectables
Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios fsicos al cabo de solicitaciones electromecnicas.
Puede determinarse envejecimiento del sistema de aislamiento del bushing.
Es posible detectar contaminacin y grietas en la estructura de la porcelana.
47
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (II)
Fundamentos
Estructura interna de los bushings:
48
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (III)
Metodologa de medicin
En los casos en que el bushing no cuente con TAP pude emplearse el mtodo del collar caliente.
Este mtodo consiste en colocar una banda polimrica sobre la superficie del bushing; de forma de conformar un electrodo para la aplicacin de tensin.
49
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (IV)
Metodologa de medicin
Correccin por temperatura?
50
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (V)
Interpretacin de los resultados
Para bushings de alta tensin, los valores de tg debieran mantenerse por debajo al 1% en cualquier condicin.
Discrepancias superiores al 10% de los valores de capacidad, pueden ser indicativos de cambios importantes en la estructura del aislamiento del bushing.
51
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Capacitancia y tg del aceite
Power Factor Oil Cell Megger
52
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Capacitancia y tg del aceite (I)
Objetivo
El objetivo de este ensayo es determinar la tg del aceite.
El factor de disipacin es una medida de la potencia de prdida cuando un lquido aislante elctrico es sometido a un campo elctrico de corriente alterna.
Defectos detectables
Presencia de humedad Presencia de elementos contaminantes
53
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Capacitancia y tg del aceite (II)
Interpretacin de los resultados
Valores sugeridos para aceites en servicio por IEEE C57.106.2006 (ASTM 924).
54
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Referencias Recomendadas
55
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Capacitancia y tg: Resumen Referencias
56
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Referencias
57
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Referencias
58
Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin
59
Nuevas tecnologas de evaluacin de la condicin de transformadores de potenciaPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / DisipacinPruebas de Factor de Potencia / Disipacin
Top Related