Aislamiento Del Transformador

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOSFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE MECANICA ELECTRICA

CONVERSION DE ENERGIAELECTROMAGNETICA 2

Ing. FRANCISCO GONZALESAux: DAVID PACHECO

RESISTENCIA OHMICA DE DEVANADOSY RESISTENCIA DE AISLAMIENTOS DE

UN TRANFORMADOR

GRUPO 5: JORGE ROMEO ESTRADA CONDE200113227PEDRO ENRIQUE MENENDEZ 200818074

Resistencia óhmica de devanados y resistencia de aislamientos

VICTOR HUGO BENITO RAGUAY200113059JUAN LUIS SARACCINI 200714827MANUEL DARIO FAJARDO HERNANDEZ 200715075

INTRODUCCION

El transformador es el elemento más importante de todo sistema eléctrico de potencia, pues es el principal pues es indispensable en la tarea de la transmisión de energía eléctrica de un punto a otro. también es uno de los que tiene los costos mas elevados, pues un transformador debe estar diseñado para soportar la inclemencia del clima, pues es común que se encuentre en la intemperie, además debe ser muy eficiente, para minimizar en los posible las perdidas de energía dentro de el. Deben ser mecánicamente robustos para soportar fuerzas extremas que pueden aparecer dentro de el, por fallas eléctricas que producen muy intensos campos eléctricos y magnéticos que sobre-esfuerzan su estructura, como a fuerzas externas que pueden aparecer. Un transformador por lo tanto debe ser cuidado como un niño, estar siempre todo el tiempo pendiente de su estado, de las condiciones de carga actuales y que todos los parámetros estén bajo los valores dados por el fabricante. Sin embargo el que un transformador siempre trabaje aparentemente bajo condiciones normales, no es garantía que el transformador no presentara falla improvistas.Para garantizar un buen funcionamiento de un transformador, la mejor forma de hacerlo, que conociendo el estado actual del transformador, el cual solo es posible si se le da el correcto mantenimiento al transformador. Los tipos de mantenimiento que se le da a un transformador están, el mantenimiento predictivo el preventivo y el correctivo. Existen una gran cantidad de pruebas que se le puede realizar al transformador, la cantidad de pruebas que se realicen, depende de la potencia del transformador, el voltaje y su importancia. De todas las pruebas que hay, en este documento se basa en las pruebas de resistencia óhmica y de aislamiento, que nos permite saber el presunto estado de los devanados y aislantes del transformador.

La resistencia óhmica del transformador consiste en la resistencia eléctrica que poseen los devanados del transformador, y que también es responsable de las pérdidas por efecto Joule, dentro del transformador. La prueba de la resistencia óhmica nos permita tener conocimiento del estado de los conductores en dentro devanados del transformador. Para medir la resistencia óhmica es más conveniente la utilización de un puente doble de kelvin que es una versión mejorada del puente de Wheastone para medición de resistencia de conductores eléctricos, pues permite disminuir grandemente el efecto de lar resistencia de


contacto, haciendo que este puente de medición sea capaz de medir hasta 0.00001Ω.

Para conocer la resistencia de los aislantes, se utiliza un mega-óhmetro, que es llamado comúnmente en el campo de la electricidad conocido como Megger. Posee una generador de corriente directa de alto voltaje cuyos valores pueden oscilar entre 500V a 5000V, esta disposición se encuentra en mega óhmetro analógicos. Los Megger electrónicos generan voltajes DC, electrónicamente. La resistencia de aislamiento es un fuerte indicativo del mal estado del transformador. Por ultimo esta la prueba de resistividad, esta prueba se aplica únicamente al aceite aislante, por lo tanto es un indicativo de la calidad del aceite del transformador.

OBJETIVOS

General:

Conocer el estado de devanados y aislantes de un transformador a través de la resistencia de aislamiento y la resistencia óhmica.

Específicos:

1) Conocer como se realiza la prueba de resistencia óhmica a través del puente de Kelvin.

2) Conocer los tipos de aislantes del transformador.

3) Conocer la prueba de aislamientos con el uso de mega-óhmetro.


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RESISTENCIA DE OHMICA Y DE AISLAMIENTO DEL TRANSFORMADOR

1) RESISTENCIA OHMICA:

1.1) Medidor para la prueba de resistencia óhmica.

Sin embargo no se puede usar un óhmetro corriente, o usar en todo momento el puente de Wheastone. La medida exacta de resistencias de menores a 1 ohmio presenta varios problemas que no aparecen con altas resistencias. Una de las dificultades la causan la resistencia de contactos entre las resistencias y sus cables de conexión. La resistencia de los contactos puede ser del orden 10-4 Ω, que puede despreciarse frente a una resistencia de 100 Ω, pero que constituye una fracción significativa de una resistencia muy baja. Por ejemplo, no es tolerable en un shunt de 50 A – 50 mV que tiene una resistencia aproximada de 10-3 Ω. Por otra parte, la resistencia de los contactos es una magnitud muy variable y depende de factores tales como la presión mecánica y del estado de las superficies en contacto. Otra dificultad la constituye la resistencia propia de los cables de conexión que no puede despreciarse cuando se opera con resistencias bajas.

El puente de medición usado por su gran precisión es el puente doble de kelvin, sin embargo comúnmente se le suele llamar nada más puente de Kelvin. Este puente de medición tiene la característica de tener cuatro terminales de prueba ya que consta de dos conjuntos de ramas. Tiene la ventaja de poder despreciar la resistencia de


contacto entre la resistencia de bajo valor que se desea medir y las terminales de prueba.

La resistencia óhmica se obtiene simplemente con la relación: Rx = R1/R2 *R3, que es de la misma forma que la que se calcula usando un puente de Wheastone. En un puente comercial la resistencia patrón R3, esta formada por un arreglo de resistencia conectada a una barra de Manganina Cu84Ni4Mn12, que es una aleación de cobre, manganeso y níquel, la barra de manganina esta calibrada con una resistencia de 0.0011Ω. La manganina por su bajo coeficiente térmico, hace que las mediciones sean menos susceptibles a la temperatura. Es conveniente tener una relación R1/R2, de manera que se use el valor patrón R3, mas grande posible, para tener la mayor precisión y con mejor exactitud.

1.2) Prueba de resistencia óhmica:

Esta prueba es utilizada para conocer el valor de la resistencia óhmica de los devanados de un transformador. Es una referencia para conocer el valor de las pérdidas en el cobre por efector Joule y detectar falsos contactos en conexiones de boquillas, cambiadores de derivaciones, soldaduras deficientes y hasta alguna falla oculta en los devanados.

La corriente empleada en la medición no debe exceder el 15% del valor nominal del devanado, ya que con valores mayores pueden obtenerse resultados inexactos causados por variación en la resistencia debido a calentamiento del devanado.

Un puente de Wheastone puede medir valores de orden de 0.001Ω a 11.110MΩ; el puente de Kelvin es susceptible de medir resistencia del orden de 0.1 micro-ohm a 111 ohm. Para la operación de estos equipos es muy conveniente tomar en consideración el estado de sus baterías, para poder realizar mediciones lo más consistentes posibles.

1.3) Uso del medidor de resistencia óhmica:

Entre los equipos comúnmente utilizados para la medición de resistencia óhmica se tienen el puente de Kelvin y el puente de Wheastone.

Las recomendaciones para el uso de puente de medición son:

- Asegurar que los bordes de conexión estén cortocircuitados.


- Verificar en el galvanómetro que la aguja debe posicionarse en cero; si esto no sucede, con un destornillador debe ajustarse en la posición cero.

- Comprobar que las baterías estén en buen estado, ya que si se encuentran con baja capacidad, la prueba tiene una duración mayor a lo normal.

- Se recomienda utilizar cables de pruebas calibre No. 6 AWG para evitar al máximo la caída de tensión en los mismos. Medir la resistencia de los cables de prueba.

1.4) Recomendaciones para realizar la prueba de resistencia óhmica.

Para realizar pruebas.

- Retirar los conductores de llegada a las boquillas.

- Desconectar los neutros del sistema de tierra en una conexión estrella.

- Limpiar las terminales perfectamente, a fin de que cuando se efectúe la conexión.

- Que las terminales del medidor tengan un buen contacto.


- Como no se conoce la resistencia óhmica del transformador bajo prueba, el multiplicador y las perillas de medición deben colocarse en su valor más alto.

- Al circular la corriente directa por el devanado bajo prueba, se origina un flujo magnético que de acuerdo a la Ley de Lenz induce un potencial el cual produce flujos opuestos. Lo anterior se refleja en el galvanómetro por la inductancia que tiene el devanado. Pasado un cierto tiempo la aguja del galvanómetro se mueve hacia la izquierda, esto es debido a que comienza a estabilizarse la corriente en la medición de la resistencia.

- Es necesario accionar primero el multiplicador del medidor y obtener la lectura de la resistencia por medio de las perillas de medición hasta lograr que la aguja del galvanómetro quede al centro de su carátula.

- Medir la Resistencia de cada devanado y en cada posición del cambiador de derivaciones, registrando las lecturas en el formato de prueba.

- Se recomienda realizar la prueba de resistencia óhmica a los devanados, únicamente en la posición de operación del cambiador. La razón de esto es para evitar que en caso de un posible desajuste en el cambiador originado por el accionamiento del mismo, el transformador no pudiese volver a energizarse.

Según la norma IEEE c57.12.00-2006 sección 9.2 a 9.4, para transformadores de de dos devanados, con una impedancia mayor al 2.5%, deber tener una tolerancia menor al 7.5%. Para transformadores de dos devanados con una impedancia menor al 2.5%, deben tener una tolerancia menor al 10%.

Para transformadores de tres devanados, la tolerancia debe ser menor al 10% del valor especificado. Para autotransformadores la tolerancia también será menor al 10%.

2) RESISTENCIA DE AISLAMIENTO:

Los aislamientos eléctricos de los transformadores consisten en materiales aislantes como cartón comprimido, papeles barnices y aceites aislantes, las cuales también mejoran las propiedades


dieléctricas del transformador y con ello una mayor capacidad a altos voltajes.

Los aislantes de los transformadores se clasifican como aislantes sólidos y aislantes líquidos.

2.1.1) Aislantes Sólidos:

Los aislantes sólidos sirven para: - Aislar espiras entre si.- Aislar espiras entre devanados.- Aislar conductores de devanados y terminales a tierra.- Aislar espiras de partes metálicas del núcleo o del tanque.- Soportar esfuerzos eléctricos, mecánicos y térmicos.- Protección contra el medio ambiente, en especial en los transformadores secos.

La vida útil del transformador depende de la calidad de los aislantes, los cuales a su vez depende de la temperatura. Un transformador debe trabajar a una temperatura máxima nominal. Si la temperatura aumente disminuye el rendimiento del transformador, porque la temperatura limita la cantidad de potencia que el transformador puede transmitir, pues a mayor potencia mayor temperatura. Experimentalmente si un transformador trabaja 10°C sobre su temperatura nominal, su vida útil se reduce a la mitad, pues se acelera el deterioro de los aislamientos.

Para los aislantes sólidos, se clasifica en:

- Clase O: Son materiales a base de celulosa, algodón o seda secos, sin impregnar en aceite dieléctrico. Soportan hasta 90°C.

- Clase A: Son materiales fibrosos a base de celulosa, algodón o seda impregnados con aceite. Soportan hasta 105°C.

- Clase E: Son materiales a base de fibras orgánicas sintéticas. No deben sobrepasar los 120°C.

- Clase B: Son aislantes a base de poliéster o polímeros impregnados con materiales orgánicos. Soportan temperaturas de hasta 130°C

- Clase F: Son materiales hechos de mica o de fibra de vidrio impregnados sintéticos. La temperatura máxima en este tipo de aislantes es de 155°C.

- Clase H: Son materiales a base de micas o de fibra de vidrio impregnados de siliconas de alta resistencia térmica. Soportan temperaturas 180°C.


2.1.2) Aislantes líquidos:

Los aislantes líquidos sirven para:- Aislar los aislantes solido de los devanados de la humedad y medio ambiente.

- Mejorar la rigidez dieléctrica del transformador.- Disipar el calor generador por los devanados del transformador.

Los aislantes líquidos consisten principalmente en los aceites que son aislantes refrigerantes y dieléctricos. Los tipos de aceites que hay son:

- Aceites sintéticos o artificiales: Llamado aceites de Askarel, son aceites inflamables, altamente tóxicos y cancerígenos, difíciles de desechar. Su resistencia y rigidez dieléctrica disminuyen considerablemente aun con 125 ppm (es decir 125 ml de agua por 125,000 litros de aceite). Entre los más comunes están el tricloro y pentacloro de difenil y el triclorobenceno. Debido a los inconveniente ambientales y de salud y que hay aceites actualmente con mejores propiedades dieléctricas, este tipo de aceites es poco usado, hallando comúnmente en transformadores muy viejos.

- Aceites derivados del petróleo: Hay dos tipos de aceites que son los aceites naftelnicos, con bajo punto de congelación, lo que los hacen ideales para climas fríos, y los aceites parafinicos, usados en climas más cálidos

2.2) Resistencia de los aislamientos:

Se define como la oposición al paso de corriente eléctrica, que presenta un aislante al aplicarle una tensión de corriente directa durante un determinado tiempo. La resistencia eléctrica de los aislamiento esta comprendido en valores relativos en el rango de los megaohm’s.

La corriente que cruza el aislamiento se llama “Corriente de aislamiento”, la cual tiene tres componente, dos de estado transitorio y una de estado permanente que son:

- Corriente capacitiva: Esta componente de corriente es de alta magnitud y corta duración, hasta unos 15 segundos, esta aparece debido al efecto capacitivo de los aislantes, que al igual que en un capacitor, la corriente de carga se vuelve elevada.

- Corriente de absorción dieléctrica: Esta corriente sub-transitoria, decrece exponencialmente y es de duración prolongada y puede


durar varios minutos hasta de que su magnitud sea cero. Debido a la presencia de esta componente, la prueba de resistencia de aislamientos no puede ser hecha de manera instantánea, como norma la prueba debe hacerse durante en un tiempo de 10 minutos, para que la magnitud de la corriente de absorción dieléctrica sea despreciables.

- El índice de absorción es la relación que hay entre las lecturas tomadas en los tiempos t = 60 segundos y en t = 30 segundos. El índice de polarización es la relación que hay entre la lectura tomada en t=10 minutos sobre la lectura tomada en t = 1 minuto. El índice de polarización y de absorción son buenos indicativos de la calidad de los aislamientos.

- Corriente de conducción o corriente de fuga: Esta corriente es de estado permanente y es la cantidad que se usa como referencia para la medición de la resistencia de aislamiento. Esta suele tener dos componentes de corriente, una que fluye a través del aislante del conductor y otra que fluye sobre la superficie del aislamiento.


2.2.1) Operación de un mega-óhmetro o Megger:

La mayoría de Megger’s analógicos utilizan bobinas cruzadas, con una aguja unida al eje de las bobinas. Poseen un generador de corriente continua accionado manualmente con una manivela o motorizado, el cual ofrece la tensión a la que se realizara la medición.

Las bobinas A y B, se están separadas a un ángulo fijo, y conectadas de tal forma que desarrollen pares opuestos cuando por ellas cruza corriente, por lo tanto el agua se estabiliza en un punto donde los pares electromagnéticos se balancean.


Cuando la magnitud del aislamiento sobrepasa la prueba, circulara una corriente por la bobina B, el cual creara un flujo magnético, que haya que el eje de la bobina B se alinee con el campo magnético del imán permanente., haciendo que el agua se deflecte a la posición de infinito. Si las terminales de prueba están en cortocircuito entonces por la bobina A fluirá una corriente que hace que el eje de la bobina se alinee con el campo magnético del imán, lo cual deflectara la aguja a la posición de cero.

Debido a que las bobinas A y B tienen pares opuestos, cualquier cambio del voltaje no afecta la medición, pues los cambios de voltaje afectan igualmente a ambas bobinas, pero al estar opuesta los efectos se anulan, con los que cual aumenta la precisión del instrumento.

Los megos óhmetros, poseen un tercer terminal llamado “Guarda”, la misión de la termina guarda, es absorber la corriente de fuga en las terminales y atreves del aire, para eliminar la resistencia no que no se desea medir, para que no afecten en la lectura de resistencia, este cable suele están blindado, que normalmente se conecta a la masa del transformador, con el fin de absorber las corriente de fuga a través del aire y tierra física.


Por ultimo un Megger de aislamientos no debe confundirse con uno de tierra, el cual posee 4 terminales, 2 de corriente y 2 de potencial.

2.2.2) Medición de la resistencia de aislamientos:

La medición de la resistencia de aislamiento es un buen indicador de la presencia de humedad y suciedad dentro de los transformadores

Las mediciones se realizan principalmente con un medidor de resistencia de aislamiento, comúnmente llamado Megger de aislamiento. Los Megger’s se pueden clasificar según las forma de operación, habiendo tres tipos: Los accionados manualmente, con motor y los digitales. Las tensiones de prueba de los Megger varia de los 250 voltios a los 5000 voltios de corriente directa, esto para que la corriente que se utiliza en la medición sea mas significativa. Debe tenerse cuidado con la tensión de prueba pues, si es muy elevada para el aislante que se mide, puede causar rotura dieléctrica, invalidando la prueba y dañando el aislante, además que la magnitud de la resistencia puede disminuir debido al estrés dieléctrico, que tiende a arrancar electrones de los átomos del aislante.

Antes de realizar las mediciones en el transformador se debe hacer las siguientes recomendaciones:


- desconectarse el transformador de los buses o barras y retirar todos los conductores que estén conectados a las terminales del transformador incluyendo cables de neutro y tierra.

- Se debe limpiar las boquillas de conexión de cualquier suciedad. El mego óhmetro debe colocarse a distancia sobre una base firme, y permitir libre manejo de los cables de conexión.

- El instrumento de medición deber estar sobre una base firme, a una distancia que permita libre manejo de los cables de conexión.

- Ajusta la posición a cero del instrumento, en caso de ser analógico, con el tornillo o perilla de ajuste a cero antes de hacer las mediciones.

- Conectar correctamente las puntas de prueba al transformador a medir.

- Escoger la escala y tensión de prueba.

- Tomar lecturas cada cierto tiempo durante 10 minutos.

- Terminada la prueba apagar los equipos de medición.

- Registrar la temperatura del aceite y los devanados.

Para la medición se utilizan dos métodos dependiendo de tamaño y potencia del equipo sobre el cual se realizan las mediciones.

En las tendencia de la resistencia en la prueba, la resistencia inicial es baja debido a las corrientes de capacitivas y a las absorbidas por los dieléctricos, pero a medida que pasa el tiempo, la resistencia debe aumentar, es caso de que la pendiente de la curva de resistencia contra tiempo sea baja, es un indicativo de que los aislamientos están degradados.


La conexión tipica del megger en los transformadores, es colocar la terminal de linea a las boquillas de los devanados, si se utiliza la punta de guarda, debe puentearse con la terminal de tierra, en caso de no usar la linea guarda, entonces debe conectarse la linea de guarda a la tierra fisica del tranformador ya sea al nucleo o al tanque. Las resistencias que se miden es entre devanados de alta y baja, y entre debanados y el nucleo.


Tiempo corto: Consisten en operara el Megger conectado al equipo, durante 60 segundos, solo se realiza en equipos pequeños o que no tienen corriente de absorción con tiempo apreciable.

Tiempo-resistencia o de absorción dieléctrica: Consisten en conectar el Megger con una tensión constante de prueba durante 10 minutos, tomando lecturas a 15, 30, 45 y 60 segundos durante cada minuto de la prueba, se aplica en transformadores de potencia, y equipo de gran


tamaño, debido a que presenta corriente de absorción muy perdurables.

2.2.3) Resistividad del aceite:

La resistividad del aceite es una medida de la calidad del aceite aislante. Indica también la capacidad del aceite a resistir la oxidación. La resistividad se estima como ρ = (Área/Longitud)*Resistencia.

Para obtener el valor de resistividad del aceite se usa el mega-óhmetro y una celda cilíndrica anular, con dos electrodos cilindros, uno externo y otro interno, en el cual se deposita una muestra de aceite, entre ambos electrodos.

La prueba de resistividad se realiza con una potencial de 2.5KV a 5KV, durante 1 minuto a 20°C.

La celda de prueba tiene tres puntos de conexión, para conectar las terminales del Megger, para realizar la medición se sigue los siguientes pasos:

- La terminal de línea se conecta en la parte superior de la terminal vertical de la celda.

- La línea de guarda se conecta hacia el aro metálico de la terminal horizontal intermedia.

- La terminal de tierra se conecta a la terminal horizontal de la celda que sobresale de la parte aislada.

- Se energiza la celda con el generado de corriente continua entre un voltaje de 2.5 KV a 5KV, durante un minuto, se toma lectura de la resistencia.

- La celda tiene normalizado una constante que es una relación longitud/área, la magnitud de resistencia tomada del Megger se multiplica por esta constante para obtener el valor de resistividad del aceite en mega-ohm/cm.


2.2.4) Factores que afectan la resistencia de aislamientos:

Entre los factores que alteran la resistencia de los aislantes están:

- Suciedad en la superficie del aislante: Partículas de polvo, aceite o humedad disminuyen la resistencia del aislamiento, en especial los aislantes que están expuestos al medio ambiente como los aislantes en las terminales y boquillas de los transformadores.

- Humedad: La mayoría de los materiales aislantes como los cartones, papeles y aceites, son higroscópicos, es decir, que absorben fácilmente humedad del ambiente, lo cual reduce su resistencia eléctrica.

- Temperatura: La resistencia de los aislantes disminuye proporcionalmente con la temperatura. La prueba de resistencia de aislamiento debe realizarse a una temperatura constante, preferiblemente a 20°C. En caso de que no pueda realizarse la prueba a 20°C, se puede usar factores de corrección, según la temperatura al momento de la prueba.


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- Potencial aplicado: Durante la prueba de aislamientos debe hacerse a una tensión adecuada, pues un valor de voltaje elevado, puede producir ruptura dieléctrica en el aislante.

- Efecto de carga residual: Se da porque el transformador no fue debidamente aterrizado y quedo energía almacena entre los aislantes en forma de campo eléctrico, o porque se realizo anteriormente una prueba en corriente directa, esto modifica las mediciones, pues la corriente de prueba no es la correcta.

- Envejecimiento: La resistencia de los aislantes disminuye con la edad, pues esto experimentan degradación en su estructura química, que hace que la resistencia y la rigidez dieléctrica disminuyan.

Si el aislamiento se encuentra en una zona con inducción electromagnética, es necesario usar una jaula de Faraday sobre el equipo en el que se esta realizando las pruebas.

BIBLIOGRAFIA

Manual de mantenimiento de transformadores CFE (Comisión Federal de Electricidad de México) Cap4, Cap7.1, Cap14.

Instrumentación electrónica moderna y técnica de medición, William D. Cooper, Albert D. Helfrick, Pearson Education, Págs. 109 a 111

Tesis “Guía para mantenimiento de transformadores de potencia” de Juan Núñez Forestieri. Escuela superior politécnica de Guayaquil, Ecuador. 2004, pág. 162

e-grafía:


https://www.google.com.gt/#q=prueba%20de%20resistencia%20de%20aislamiento%20a%20transformadores&hl=es&prmd=imvnsb&psj=1&um=1&ie=UTF-8&tbo=u&tbm=bks&source=og&sa=N&tab=wp&psj=1&ei=7ov0T5CwGcan6AHFhq3nBg&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.r_cp.r_qf.,cf.osb&fp=56562014f1d5228f&biw=1024&bih=677

http://books.google.com.gt/books?id=_m_I-NT38_UC&pg=PA173&lpg=PA173&dq=prueba+de+resistencia+de+aislamiento+a+transformadores&source=bl&ots=CyJnAc1caR&sig=OPQzICQtmNhcZAjqG126X8BgX0c&hl=es&sa=X&ei=gYv0T8vgEOOh6wHJ1snIBg&ved=0CEgQ6AEwAQ#v=onepage&q=prueba%20de%20resistencia%20de%20aislamiento%20a%20transformadores&f=false







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Aislamiento Del Transformador