1. INTRODUCCIÓN
La medición del factor de potencia y la prueba Tip-Up se llevan a cabo en componentes individuales como bobinas, barras, o en el devanado completo del estator de generadores o motores. Esta técnica también se aplica en equipos de subestación, incluyendo transformadores de potencia y transformadores de instrumentación, entre otros. Es particularmente crucial en equipos que operan a tensiones de 6 kV o superiores. La importancia de esta prueba radica en su capacidad para evaluar la calidad del aislamiento tanto en equipos recién fabricados como en aquellos que han estado en servicio por un tiempo prolongado.
Realizar esta prueba facilita un análisis detallado de aspectos críticos, como la calidad de los materiales aislantes, la uniformidad del revestimiento aislante y la integridad del curado. Esto asegura un rendimiento óptimo del sistema de aislamiento y la fiabilidad a largo plazo del equipo. En Este informe se detalla la teoría de la prueba de factor de potencia Tip-Up, aplicable a máquinas eléctricas, transformadores, cables y otros equipos similares.
2. TEORIA DE LA PRUEBA
En un aislante perfecto, se esperaría una ausencia total de corriente de fuga. La caracterización del factor de potencia en aislantes se establece mediante el coseno del ángulo de fase que se forma entre la corriente y el voltaje. En el caso ideal de un aislante, habría un adelanto de la corriente sobre el voltaje por un ángulo exacto de 90 grados, llevando el factor de potencia a ser nulo. Sin embargo, en los sistemas de aislamiento prácticos, como los encontrados en las bobinas de motores y generadores eléctricos, existen pérdidas intrínsecas. Estas pérdidas generan corrientes tanto capacitivas como resistivas, como se muestra en la Figura 1 [1]. Por lo tanto, en estos sistemas de aislamiento reales, el factor de potencia nunca alcanza el valor cero.
Figura 1. Circuito equivalente de un sistema de aislamiento [2]
Al aplicar tensión alterna (CA), se observa que la corriente que fluye a través del conductor no se encuentra en perfecta cuadratura con la tensión. Se establece un ángulo δ entre la corriente capacitiva () y la corriente total (), así como un ángulo entre la corriente resistiva () y la corriente total ()). Estas relaciones se ilustran en la Figura 2. Los ángulos mencionados se manifiestan debido a las pérdidas por polarización y conducción en el material aislante [3].
Figura 2. componentes de corriente en una prueba de aislamiento en CA [2]
Para determinar las pérdidas por polarización es posible hacerlo con ambos ángulos, es aquí donde entran los conceptos de factor de potencia (Cosθ) y el factor de disipación (Tan δ).
Factor de potencia: El factor de potencia de un aislamiento es una medida de la calidad del aislamiento eléctrico y se utiliza para evaluar su condición. En el contexto de los materiales aislantes eléctricos, el factor de potencia indica la eficiencia con la que el aislamiento puede almacenar energía eléctrica sin convertirla en calor o en otras formas de energía perdida. Matemáticamente, es la relación entre la potencia real o potencia activa (medida en vatios) que se utiliza para realizar trabajo y la potencia aparente (medida en volt-amperios), que es el producto del voltaje y la corriente del circuito, ver ecuación 1.
Factor de disipación: El factor de disipación, también conocido como factor de pérdida dieléctrica o tangente del ángulo de pérdida (tan δ), es una medida de las pérdidas energéticas en un material dieléctrico cuando está sujeto a un campo eléctrico alterno. Es la relación entre la potencia disipada (pérdida) en el dieléctrico y la potencia almacenada en el mismo. En términos técnicos, es el cociente entre la resistencia y la reactancia en un material, que indica cuánta energía se pierde en forma de calor, ver ecuación 2.
En la Tabla 1, se ofrece una comparación del factor de potencia y el factor de disipación para los ángulos de fase y los ángulos de pérdida complementaria.
Tabla 1 Comparación del factor de potencia y el factor de disipación [2]
En los sistemas de aislamiento modernos de los devanados estatóricos, el factor de potencia y el factor de disipación dieléctrica son casi iguales [1].
3. IMPORTANCIA DE LA PRUEBA DE FACTOR DE POTENCIA Y TIP UP
La prueba de factor de potencia y tip-up se emplea regularmente como método diagnóstico del estado del sistema de aislamiento. Esta prueba permite monitorear la evolución de las pérdidas dieléctricas a lo largo del tiempo, lo que proporciona una valiosa perspectiva sobre el envejecimiento del aislamiento. Además, se utiliza en conjunto con pruebas de descargas parciales para una evaluación más completa de la integridad y fiabilidad del aislamiento de máquinas eléctricas rotativa, transformadores, líneas entre otros.
La prueba puede ser sensible a los siguientes factores que incrementan las corrientes de fuga y, por ende, el incremento del FP [3].
- Contaminación del sistema de aislamiento, incluyendo humedad.
- Deterioro químico.
- Daños por sobrecalentamiento.
- Carbonización.
- Inclusiones garosas en el sistema de aislamiento.
- Daños por descargas parciales.
- Calidad del proceso de impregnación en sistemas tipo resina.
- Delaminación, como resultado del estrés térmico.
- Mala calidad del aislamiento principal.
4. APLICACIONES DE LA PRUEBA FACTOR DE POTENCIA Y TIP UP
4.1. MOTORES Y GENERADORES
Objeto a evaluar:
La prueba del factor de potencia es esencial para el control de calidad en bobinas recién fabricadas. Esta evaluación se lleva a cabo sistemáticamente en cada unidad o en muestras representativas de un lote de producción. Los resultados obtenidos se someten a un análisis estadístico para asegurar la consistencia y la confiabilidad del aislamiento en todas las bobinas, garantizando así el cumplimiento de los estándares de calidad antes de su implementación o venta [2].
La prueba se realiza igualmente en devanados completos, evaluando fase por fase y comparando los resultados con mediciones anteriores para dar el diagnóstico.
Un cambio en el factor de potencia a lo largo del tiempo puede señalar una variación en la condición del aislamiento de la bobina, así como en el recubrimiento semiconductor de la ranura, el revestimiento para el control de tensión, los devanados finales, o los sistemas de soporte en la ranura [2]. La aplicación de esta prueba va desde el carácter de calidad de manufactura hasta la evaluación constante del sistema de aislamiento una vez puesta la máquina en servicio.
Norma que aplica
IEEE Std 286™-2000
4.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Objeto a evaluar:
Las mediciones de capacitancia y factor de potencia son procedimientos clave para evaluar el estado del aislamiento en transformadores de potencia y sus terminales. Estos sistemas de aislamiento son fundamentales para asegurar un funcionamiento fiable y eficiente del transformador.
Los cambios en la capacitancia pueden indicar una ruptura parcial entre las capas capacitivas de los bornes, contaminación y humedad, deterioro del aislamiento, fugas y defectos de aislamiento. Midiendo la capacitancia y las pérdidas, pueden detectarse problemas en el aislamiento antes de que se produzca una falla.
En la siguiente representación dieléctrica de un transformado de potencia de dos devanados, se identifica tres componentes a evaluar durante la prueba de factor de potencia:
Figura 3. Representación dieléctrica de un transformador de dos devanados [4]
CH: representa el sistema integral de materiales que asegura el aislamiento eléctrico entre el devanado de alta tensión energizado y los componentes del transformador conectados a tierra, como el tanque y el núcleo. Este sistema incluye el aislamiento activo en los pasatapas de alta tensión, el propio aislamiento del devanado de alta tensión, los componentes estructurales aislantes y el aceite dieléctrico [4].
CHL: es el sistema compuesto de materiales diseñado para proporcionar aislamiento eléctrico eficaz entre el devanado de alta tensión y el devanado de baja tensión, ambos energizados, en un transformador. Este sistema, conocido también como aislamiento interdevanado, es esencial para prevenir cortocircuitos y mantener la integridad funcional del transformador. CHL abarca el aislamiento específico de los devanados de alta y baja tensión, incluyendo las barreras de aislamiento y el aceite dieléctrico, que juntos forman la estructura principal de aislamiento del transformador [4].
CL: representa el sistema comprensivo de materiales que se encarga de aislar eficientemente el devanado de baja tensión, cuando está energizado, de cualquier componente del transformador que esté conectado a tierra. Este sistema incluye elementos clave como el aislamiento activo en los pasatapas de baja tensión, el propio aislamiento del devanado de baja tensión, así como los componentes estructurales aislantes y el aceite dieléctrico.
Norma que aplica
IEEE Std C57.12.90™-2015
4.3. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE
Objeto a evaluar en transformador de corriente:
Durante la prueba, la tensión se aplica entre los terminales del devanado primario, que deben estar en cortocircuito, y la tierra. Normalmente, se conectan a tierra y al puente de medición tanto los terminales secundarios, que también deben estar en cortocircuito, como cualquier pantalla y la carcasa metálica del transformador. Si el transformador de corriente tiene un terminal especial para esta prueba, entonces todos los otros terminales de baja tensión deben estar en cortocircuito y conectados a tierra, junto con la carcasa metálica y la pantalla del puente de medición [5].
Figura 4. Medición de factor de potencia en transformador de corriente [6]
Figura 5. Esquema de medición de factor de potencia en transformador de corriente [6]
Norma que aplica
NTC 2205-2004
4.4. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
En transformadores de potencial, se mide el factor de potencia entre alta tensión y baja tensión- tierra como se muestra en la figura 6 y 7 [6].
Figura 6. Medición de factor de potencia en transformador de potencial [6]
Figura 7. Esquema de medición de factor de potencia en transformador de potencial
Norma que aplica
NTC 2207-2004
4.5. CABLES
Las pruebas de factor de potencia en los cables son herramientas valiosas para identificar la presencia de humedad o descargas de corona en su aislamiento. Comúnmente, estas pruebas se aplican a segmentos cortos de cable que se encuentran en subestaciones y en sistemas de energía de instalaciones industriales. Sin embargo, las restricciones de longitud que impone el equipo de prueba de factor de potencia pueden superarse con el uso de un inductor de resonancia, lo que facilita la evaluación de tramos más extensos de cable.
De acuerdo con [7] se presentan las siguientes consideraciones para realizar la prueba de factor de potencia en modo UST y GST:
Pruebas en Modo GST (Grounded System Test):
Conexión para la prueba: Conectar el conductor de alto voltaje al cable que se va a probar. El conductor de bajo voltaje estará a tierra.
Procedimiento para cables específicos: Para cable blindado de un solo conductor, realizar la prueba en modo GST conectando el cable de alto voltaje al conductor y aterrizando el de bajo voltaje. Evitar probar cables de un solo conductor sin blindaje en este modo, ya que los resultados no serán confiables.
Cable multiconductor blindado individualmente: Probar en modo GST con todos los otros cables en el grupo que no se están probando cortocircuitados a tierra.
Pruebas en Modo UST (Ungrounded System Test):
Conexión para la prueba: Al probar un cable multiconductor, el conductor de bajo voltaje se conectará a otro cable en el grupo y la prueba se realizará en el modo UST.
Procedimiento para cables específicos: Para cable multiconductor puede probarse de cable a cable en el modo UST. Repetir las pruebas hasta que todos los cables en el grupo hayan tenido al menos una prueba. Conectar a tierra todos los cables que no se estén probando.
Cable multiconductor no blindado en canalización metálica: Puede probarse de la misma manera que el cable multiconductor blindado, utilizando la canalización metálica como camino de retorno a tierra.
Consideraciones Generales para Ambos Modos:
Seguridad: Siempre observar las reglas de seguridad al realizar pruebas y preferir condiciones climáticas favorables.
Voltaje de Prueba: Debe ser de 10kV o ajustarse según la calificación del aislamiento del cable.
Repetición de Pruebas: En el caso de cables multiconductores, especialmente en modo UST, es importante repetir las pruebas hasta que todos los cables en el grupo hayan sido examinados.
Siguiendo estas pautas, se pueden realizar pruebas de factor de potencia efectivas y seguras en cables utilizando tanto el modo GST como el UST, asegurando una evaluación precisa del aislamiento y la integridad del cable.
Norma que aplica
IEEE STD 400-2023
5. CONCLUSIONES
La teoría y la práctica detrás de las pruebas de factor de potencia revelan que, a pesar de las idealidades teóricas, los sistemas de aislamiento prácticos presentan pérdidas intrínsecas que pueden ser meticulosamente evaluadas para prevenir fallas y prolongar la vida útil del equipo. La capacidad de estas pruebas para detectar problemas como humedad, deterioro químico y daños por sobrecalentamiento, entre otros, es invaluable para el mantenimiento preventivo y predictivo.
6. REFERENCIAS
[1] Chase Fell, “Aprovechando al máximo la prueba de factor de potencia tip-up,” 2017. [Online]. Available: www.easa.com
[2] IEEE Power Engineering Society. Electric Machinery Committee., “IEEE recommended practice for measurement of power factor tip-up of electric machinery stator coil insulation,” IEEE Std 286TM-2000, p. 29, 2012.
[3] “EVALUACIÓN DE DEVANADOS EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS UTILIZANDO LA PRUEBA DE FACTOR DE POTENCIA,” EMELECTROMOTORES, 2019.
[4] Megger Powe on, “BOLETÍN DE GESTIÓN DE LA VIDA ÚTIL DEL TRANSFORMADOR (TLM).” [Online]. Available: www.megger.com/tlm
[5] NORMA TÉCNICA COLOMBIANA, “TRANSFORMADORES DE MEDIDA. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE,” NTC 2205, 2004.
[6] INTEC, “PRUEBA DE FACTOR DE POTENCIA,” 2004.
[7] “Application guide for power factor testing of cables and potheads,” Megger.
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