bps 3 (2012)f - factor de potencia

Pruebas de Factor de Potencia / Disipacin

Arequipa

Per Noviembre 2012

NUEVAS TECNOLOGAS DE EVALUACIN DE LA CONDICIN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA

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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


(Source: Waukesha)

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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.

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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.

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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

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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.

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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-

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Factor de disipacin o Factor de Potencia?

tg () =tg (90-)

cos ()

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Factor de Disipacin o Factor de Potencia?

tg () =tg (90-) cos ()

Factor de Disipacin

Factor de Potencia

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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)

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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

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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.

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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

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Pruebas de FP en Transformadores

DELTA4310 12 kV Insulation Diagnostic System

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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

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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.

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Transformador - Circuito Capacitivo del aislamiento

Circuito capacitivo equivalente del aislamiento Transformador de Potencia sin devanado Terciario

(Fuente: National Grid )

= =

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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

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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.

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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.

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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.

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Resumen:

GST with Guard

Guard

GST UST

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Resumen:

Ungrounded Specimen Test

Grounded Specimen Test

Grounded Specimen Test with Guard

Ground Red Blue

Ground Red Blue

Ground Red Blue

Medicin

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Metodologa del ensayo: Transformadores de dos arrollamientos

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Metodologa del ensayo: Transformadores de dos arrollamientos

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Resultados

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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?

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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?

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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

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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

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Factor de Disipacin en diferentes bushings

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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

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Correccin de Temperatura en Pruebas FP

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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.

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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

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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%.

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Factor de potencia [%]

Estado

0.5 Bueno

0.5 - 0.7 Deterioro normal

0.7 - 1 Requiere investigacin

> 1 Deterioro excesivo

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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)

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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.

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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.

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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.

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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.

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La prueba Tip-up ayuda a determinar la presencia de inclusiones gaseosas en el sistema de aislamiento tipo seco.

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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

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Capacitancia y tg de Bushings

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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).


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.

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Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (II)

Fundamentos

Estructura interna de los bushings:

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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.

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Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (IV)

Metodologa de medicin

Correccin por temperatura?

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Metodologa del ensayo: Capacitancia y tg de los bushings (V)


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.

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Capacitancia y tg del aceite

Power Factor Oil Cell Megger

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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.


Presencia de humedad Presencia de elementos contaminantes

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Capacitancia y tg del aceite (II)


Valores sugeridos para aceites en servicio por IEEE C57.106.2006 (ASTM 924).

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Referencias Recomendadas

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Capacitancia y tg: Resumen Referencias

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Referencias

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Referencias

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