Los activos utilizados en la industria como motores, generadores, conductores, protecciones entre otros, tienen una característica de aislamiento para permitir su confiabilidad con mayor seguridad, en los transformadores trifásicos sumergidos en aceite ésta está situada con el sistema de aislamiento. La eficiencia del aislamiento se ve afectada al pasar los años por las diferentes causas que inducen la reducción de la resistividad eléctrica, provocando la presencia de corriente de fugas que puede originar un escenario de peligro al activo y al personal relacionado a su operación.
Una representación más común para explicar la resistencia de aislamiento en los transformadores es visualizar dos electrodos como se muestra en la Figura 25, donde el electrodo de alta tensión son los diferentes devanados y el electrodo de tierra la cuba, existiendo entre ellos un aislamiento en este caso el aceite dieléctrico y la celulosa.
Figura 25. Representación de la resistencia de aislamiento Fuente: Megger (2004).
La medición de la resistencia de aislamiento tiene la finalidad de verificar el estado del envejecimiento del aceite dieléctrico y la celulosa, por lo tanto, este método depende de tres corrientes definidas en la IEEE Std 62-2005.
La corriente de carga capacitiva: Corresponde a la carga de la capacidad del activo medido dependiendo del tamaño y tipo donde esta disminuye con el tiempo volviéndose cero cuando el activo quede cargado.
La corriente de absorción: Corresponde a la energía necesaria para que las moléculas del aislante se orienten bajo el efecto del campo eléctrico aplicado.
La corriente de fuga o de conducción: Indica la calidad del aislamiento por medio de la resistencia de aislamiento.
Al analizar el comportamiento de las corrientes mencionadas se puede concluir dos factores sobre el aislamiento probado. El primero donde si el aislamiento está en condiciones estables, la corriente de fuga será despreciable comparada con las otras dos, por lo cual la resistencia varia rápidamente y aumentará teniendo la forma de curva característica, tal como se muestra en la Figura 26. Pero si la condición es crítica (deteriorado, húmedo o sucio) la corriente de fuga será mayor a las otras dos, por lo cual, el resultado será reflejado rápidamente con un valor siendo contante y estable, obteniendo una curva diferente.
Figura 26. Curva típica de la resistencia de aislamiento Fuente: Megger. Pruebas de aislamiento (2000).
La resistencia de aislamiento es una medida que consiste en una inyección de tensión directa [Vdc] de valor conocido con una duración de un minuto (1’), presentadas en la Tabla 17, valores sugeridos por el Instituto de Racionalización Argentino de Materiales (IRAM) 2325-1992 y la IEEE Std 62-2005. La selección de la tensión a utilizar depende del estado del activo, tensión nominal y las consideraciones de quien realice la prueba buscando la nula afectación de los devanados bajo ensayo.
La lectura de la corriente [A] constante en el tiempo es medida por el equipo utilizado, el cual aplica la ley de ohm dando un valor en resistencia [Ω], de tal forma que los valores son del orden de las GΩ, MΩ hasta TΩ. Los resultados en kΩ dan a entender una corriente de fuga alta por lo cual no es recomendable.
Tabla 17. Rangos de tensiones continuas TENSIONES NOMINALES DEL EQUIPO “UN” TENSIONES CONTINUAS DE ENSAYO ¨E¨ Un ≤ 110 110<Un≤660 660<Un≤1000 1000<Un≤3300 3300 ≤Un 100 y 250 500 a 1000 500 a 2500 1000 a 5000 2500 a Emax Fuente: IRAM 2325 (2000)
A su vez la tensión inyectada debe ser superior a comparación de la ajustada como se ilustra en la Figura 27, donde la tensión ajustada es de 5000 [V] y la inyectada es de 5329 [V] lo que indica que la medición no tiene afectaciones en ese momento, siendo diferente si la inyectada sea menor a los 5000 [V] podría indicar una conexión mal o problema en él aislamiento.
Figura 27. Visualización de la tensión ajustada vs la tensión inyectada al activo bajo prueba Fuente: Metrel (2019).
La Norma IEEE Std. C57.152-2013 y el Technical Brochure N°445 de Cigré sugieren un valor mayor a 500 [MΩ], no obstante, se hace referencia a un posible valor menor teniendo en cuenta el tipo de aislamiento, por lo cual, es importante tener la hoja de vida del transformador para comparar con resultados de fábrica si se tienen o no mediciones realizadas con anterioridad.
Como ensayos complementarios están el índice de polarización (IP), razón de absorción dieléctrica (DAR) y ensayo de descarga dieléctrica (DD). Son mediciones para realizar un análisis más profundo sobre el estado del aislamiento probado.
2.8.4.1 ÍNDICE DE POLARIZACIÓN (IP)
El índice de polarización (IP) también es para comprobar el aislamiento a tensión DC, la diferencia es el tiempo de duración siendo de diez minutos (10’), su cálculo se realiza como lo define la Ecuación 5 (IEEE C57-2013, p.46)
IP = Raislamiento a 10′ Raislamiento a 1′ Ecuación 4. Índice de polarización Donde,
Raislamiento a 10’ = Medición de aislamiento a 10 minutos Raislamiento a 1’ = Medición de aislamiento a 1 minutos IP = Índice de polarización.
Este ensayo complementario busca medir las corrientes de fuga que son relativamente pequeñas permitiendo la elevación de la resistencia continuamente, pero esta disminuye si el aislamiento está deteriorado provocando corrientes de fuga más significativas, teniendo un comportamiento como se muestra en la Figura 28.
Figura 28. Curva típica del índice de polarización y absorción eléctrica de un aislamiento Fuente: Megger. Pruebas de aislamiento (2000).
Se hace el registro de las mediciones para cada aislamiento probado (CHL, CH, CL) en el transformador, como se observa en la Tabla 18, dando la posibilidad de observar su comportamiento gráficamente, de tal forma que se puede comprobar si se encuentran anomalías en la prueba.
Tabla 18. IP y DAR en un transformador de potencia TIEMPO ALTA- TIERRA BAJA - TIERRA ALTA- BAJA 30’’ 1,08 1 1,5 1’ 1,31 1,37 1,98 2’ 1,63 1,8 2,76 3’ 1,76 2,09 3,33 4’ 1,91 2,31 3,66 5’ 2,06 2,49 3,99 6’ 2,1 2,67 4,28 7’ 2,22 2,8 4,4 8’ 2,32 2,93 4,6 9’ 2,36 3,05 4,7 10’ 2,45 3,17 4,8 IP 1,870 2,313 2,42 DAR 1.212 1.37 1.32 Fuente: Siemens (2009)
Se establece el índice de polarización de cada aislamiento, donde este resultado tiene rangos sugeridos por diferentes normas como la IEEE Std. C57.152-2013, IEEE Std. 62-2005 y el Technical Brochure N°445 de Cigré, presentados en la Tabla 19. Se tiene en cuenta el tipo de material aislante y la complejidad del asilamiento en un transformador dado, ya que esto puede afectar el resultado llevando a errores de interpretación. Una vez realizado el IP este polariza las moléculas del dieléctrico, por lo cual, se recomienda dejar pasar un tiempo considerable antes de realizar otro ensayo eléctrico al activo bajo prueba.
Tabla 19. Clasificación Índice de polarización
ÍNDICE DE POLARIZACIÓN CLASIFICACIÓN DEL ESTADO IP<1.0 Peligroso IP<1.5 Cuestionable 1.5 ≤ IP ≤2.0 Aceptable 2.0 ≤ IP ≤ 3.0 Bueno 3.0 ≤ IP ≤ 4.0 Muy bueno 4.0 ≤ IP Excelente
Fuente: Technical Brochure N°445 de Cigré (2011).
2.8.4.2 RAZÓN DE ABSORCIÓN DIELÉCTRICA (DAR)
La razón de absorción dieléctrica es un resultado que se consigue con las mismas mediciones realizadas así sea resistencia de aislamiento o índice de polarización, dado que su cálculo se realiza como se presenta en la Ecuación 5 (IEEE C57-2013, p.46), representa el grado de absorción significando las condiciones del aislamiento más seco y menos contaminado.
DAR = Raislamiento a 1′ Raislamiento a 30′′ Ecuación 5. Razón de absorción dieléctrica Donde,
Raislamiento a 1’ = Medición de aislamiento a 1 minutos Raislamiento a 30’’ = Medición de aislamiento a 30 segundos DAR= Razón de absorción dieléctrica.
En la Tabla 20 se observa el cálculo del DAR para cada tipo de aislamiento donde este también cuenta con sugerencias por las mismas normas referenciadas en el IP, dando una clasificación con el objetivo de una conclusión más rápida mostrada en la Tabla 18.
Tabla 20. Clasificación Razón de absorción dieléctrica
VALOR DAR CLASIFICACIÓN DEL ESTADO <1.25 Insuficiente <1.6 OK >1.6 Excelente
Fuente: Technical Brochure N°445 de Cigré (2011).
2.8.4.3 ENSAYO DE DESCARGA DIELÉCTRICA (DD)
El ensayo de descarga dieléctrica es realizado después de los ensayos de aislamiento correspondientes en el transformador estando polarizado, el equipo utilizado empieza con la descarga de la corriente por un minuto (1’). El objetivo es medir la corriente de descarga para revisar la reabsorción de carga por parte del aislamiento, la cual nos indica si existe presencia de contaminación principalmente por humedad o si alguna de las capas está dañada en la celulosa principalmente ya que existirían corrientes excesos de corriente. El DD se calcula internamente por el equipo utilizando la Ecuación 6 (IEEE C57-2013, p.46).
DD = I dis[A] U[V] ∗ C[F]
Ecuación 6. Ensayo de descarga dieléctrica Donde,
I dis [A]= Corriente de descarga medida en un minuto. C [F] = Capacidad del activo
U [V] = Tensión de prueba
Los valores típicos sugeridos por la IEEE Std. 62- 2005, IEEE Std. C57. 152-2013 y la Technical Brochure N° 445 de Cigré presentados en la Tabla 21.
Tabla 21. Valores típicos Ensayo de descarga dieléctrica
VALOR DEL DD CLASIFICACIÓN
DEL ESTADO
>4 Malo
2 a 4 Critico
< 2 Bueno
Fuente: Technical Brochure N°445 de Cigré (2011).