el aislamiento del equipo eléctrico de media...

Centro de Formación Schneider

El aislamiento del equipoeléctrico de Media Tensión

Publicación Técnica Schneider: PT-060

Edición: Mayo-2001

Publicación Técnica Schneider Electric PT-060 / p. 2

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La reproducción total o parcial de esta Publicación Técnica está autorizada haciendo la mención obligatoria: «Repro-ducción de la Publicación Técnica nº 060: Operaciones de inspección y mantenimiento de Centros de Transforma-ción de Schneider Electric».

PT- 060

Andrés Granero

Ingeniero Técnico Eléctrico, ha desempeñado el cargo de DirectorTécnico en diversas Empresas Instaladoras y de MantenimientoEléctrico en Barcelona. Actualmente ejerce como ResponsableTécnico y Promotor Comercial de Transformadores de Potencia en elDepartamento T&D de Schneider Electric.

En el campo de la docencia ha sido profesor invitado para impartircursos y conferencias en distintas empresas e instituciones públicasy privadas de educación media y superior. Así también, ha publicadodiversos trabajos de memorias en simposios, congresos y revistastécnicas, y ha editado y colaborado en numerosas obras y libros detexto.

El aislamiento del equipo eléctrico deMedia Tensión

Publicación Técnica Schneider Electric PT 060. Edición: mayo 2 001


1 Objetivo 1.1 El aislamiento del equipo eléctrico p. 5

1.2 Objeto p. 5

2 Magnitudes 2.1 Resistencia de aislamiento p. 62.2 Rigidez dieléctrica p. 7

2.3 Factor de impulso p. 8

2.4 Constante dieléctrica p. 8

2.5 Pérdidas dieléctricas p. 8

3 Medidas 3.1 Medida de la resistencia de aislamiento p. 9en transformadores

3.2 Medición y prácticas de la resistencia de aislamientos p. 12

3.3 Ejemplos gráficos de conexión p. 17

3.3 Valores mínimos de la resistencia de aislamiento p. 18

4 El aislamiento con relación 4.1 Variaciones dieléctricas debidas a la aplicación p. 20 a la tensión de la tensión nominal

4.2 Esfuerzos dieléctricos. Sobretensiones p. 20

4.3 Ensayos dieléctricos normalizados p. 21

Índice

El aislamiento del equipo eléctrico de Media Tensión / p. 5

1 Objetivo

1.1 El aislamiento del equipo eléctrico

El equipo eléctrico de una instalacióndeberá estar aislado entre sí y con respectoa tierra. Esta característica de aislamientono es constante y puede deteriorarse con elpaso del tiempo por razones de humedad,por la acción de inclemencias atmosféricas,contaminación, etc.

Por esta razón se hace aconsejable elestudio del aislamiento a lo largo de la vidade los equipos, para poder prevenir suenvejecimiento prematuro y sus averías.

1.2 Objeto

El ensayo de aislamiento tiene por objetocomprobar si las máquinas están encondiciones de soportar, sininconvenientes, su tensión asignada, esdecir, la tensión especificada en su placade características.

El ensayo de aislamiento se divide en:

n medida de la resistencia de aislamiento,

n ensayo de rigidez dieléctrica entre losdistintos circuitos y entre cada uno de ellosy la masa de la máquina,

n ensayo de funcionamiento asobretensión, es decir, con tensiones yfrecuencias superiores a lo especificado enla placa de características.


2 Magnitudes

2.1 Resistencia de aislamiento

Aislante eléctrico es toda sustancia cuyaconductividad es tan pequeña, que el pasode la corriente a través de ella esprácticamente despreciable. Esta pequeñacorriente se llama «de fuga».

Un dieléctrico es «un medio que tiene lapropiedad de que la energía requerida paraestablecer en él un campo eléctrico(solicitación dieléctrica) es recuperable ensu totalidad o en parte como energíaeléctrica».

El establecimiento del campo o laaplicación de la tensión van acompañadospor corrientes de desplazamiento o decarga. El vacío es el único dieléctricoperfecto conocido; los materiales aislantesson dieléctricos imperfectos y cuando estánsometidos a una tensión presentan:

n corrientes de desplazamiento,

n absorción de corriente,

n paso de corriente de conducción.

Es prácticamente imposible fabricarmáquinas con aislantes absolutos. Todosson parcialmente conductores. Si seestablece una diferencia de potencialconstante entre dos electrodos queatraviesan el aislante, o situados sobrecada una de sus caras, se establecencorrientes, (en general muy débiles), queatraviesan y contornean los aislantes,designándose por resistencia total delaislamiento al cociente de la tensiónaplicada por la corriente total.Expresándose habitualmente enmegaohmios.

El comportamiento de los dieléctricos,cuando están sometidos a una tensión, essimilar al circuito AB representado en lafigura 1 , donde el condensador Cdetermina la corriente de absorción deldieléctrico y la resistencia R la corriente defuga de conducción. En un dieléctricoperfecto, el valor de R seria infinito.

Los valores de C y R como anteriormentese ha indicado, no son constantes, sino quedependen de la temperatura, la frecuencia yla tensión del dieléctrico.

No es una característica que determine laelección de los aislantes paratransformadores, generadores y máquinaseléctricas en general, pero sí nos indica sugrado de sequedad (particularmente en eldesarrollo de operaciones demantenimiento tales como tratamientos desecado) y la evolución regresiva de losaislamientos durante la vida útil de lamáquina, siendo por ello un factorimportante a controlar.

Fig. 1: Circuito equivalente de un dieléctrico.

A

C

B

A

B

R

Intensidad deabsorción

Intensidadde conducción


2.2 Rigidez dieléctrica

Se define por el máximo gradiente depotencial que puede soportar un aislantesin que se produzca la descarga disruptiva(perforación del dieléctrico).

Si aumentamos progresivamente la tensiónalterna aplicada entre electrodos queatraviesa un aislante, o aplicada entre suscaras, observaremos en principiofenómenos luminosos (efluvios, penachos),seguidamente y de repente, una ruptura, esdecir, una descarga disruptiva de unelectrodo a otro, a través o a lo largo delaislante.

Llamamos «tensión instantánea de ruptura»la que se alcanza elevando la tensión a lavelocidad convencional de 2 KV/s.

Se llama «rigidez dieléctrica» en KV/mm alcociente de la tensión instantánea deruptura, expresada en KV por el espesor ola distancia mínima al campo eléctrico.

Se distingue por «rigidez dieléctricatransversal», en el caso en que la descargaperfore efectivamente el aislante y por«rigidez dieléctrica superficial» en el casode que la descarga contornee lassuperficies (figuras 2 y 3 )

En la práctica, se habla a menudo de«rigidez dieléctrica de un minuto» de unaislante. Es la magnitud que se determinaa consecuencia de dos ensayos:

n un ensayo rápido por elevación de latensión al límite convencional de 2 KV/s,para alcanzar la tensión instantánea deruptura, llamémosla Ui.

n un ensayo, partiendo de 0,5 Ui yaumentando por saltos de 0,1 Ui,manteniendo cada aumento durante 1minuto, hasta obtener la ruptura.

La rigidez dieléctrica es una magnitud muyimportante en la técnica del aislamiento detransformadores, generadores, etc.

Depende de varios parámetros:

n del tiempo de aplicación de la tensión; larigidez dieléctrica es tanto más pequeñacuanto más larga es la aplicación de latensión,

n de la forma de onda de la tensión,

n de la homogeneidad del campo eléctrico,y por consiguiente, de la forma de loselectrodos,

n de la temperatura,

n de la presión (para gases y líquidos),

n de la difusión (para aislantes sólidos).

Fig. 2: a) Tensión instantánea de ruptura.b) Tensión de ruptura «1 minuto».

Fig. 3: Variación de la tensión de ruptura enfunción del tiempo.

Ui

2 kV

1 s Tiempos

Ui

0.7 Ui

0.6 Ui

0.5 Ui

1 min. 2 min. 3 min. Tiempos

a)

b)

Ui

U 1 min.

U

Tiempos


2.3 Factor de impulso

La forma característica de lassobretensiones de origen atmosférico(ondas unidireccionales de frente muyescarpado y cola relativamente larga) haconducido a considerar una «rigidezdieléctrica de choque o de impulso» que,según la naturaleza del aislante y según laforma de la onda, es netamente máselevada que la rigidez dieléctrica de un

minuto. Se ha definido un factor de impulsoque es el cociente entre la rigidezdieléctrica de choque (valor de cresta) porla rigidez dieléctrica a frecuencia industrial(ensayo de un minuto; valor de cresta).Recientemente se ha definido también unvalor de correlación, que es la relación, noentre las tensiones de ruptura, sino entrelas tensiones mantenidas.

2.4 Constante dieléctrica

La constante dieléctrica de un aislante es larelación de la capacidad del condensadorconstruido con este aislante como

2.5 Pérdidas dieléctricas

Un aislante sometido a un campo eléctricoalterno da lugar a pérdidas. Estas pérdidasdependen de la naturaleza del aislante, delcampo específico, de la temperatura y de lafrecuencia

Se las designa generalmente por el«ángulo de pérdidas», que es elcomplemento de la diferencia de fase entrela tensión senoidal aplicada a este aislantey la corriente de la misma frecuencia queatraviesa el aislante (figura 4 ).

No es el valor absoluto de las pérdidasdieléctricas, sino su estabilidad, en funcióndel tiempo y la temperatura lo másimportante en la elección de los aislantes.

A continuación se exponen de formapráctica y adaptados preferentemente atransformadores, los ensayos enunciadosanteriormente.

Fig. 4: Factor de pérdidas dieléctricas.

I Ir c. tg= δ

IcU

.C.U1C

= = ω

ω

2 2oP .C .tg U G.U= ω ε δ =

C: Capacidad del dieléctrico

C0: Capacidad con dieléctricoel vacíoc

r

U

ε.tg δ: Factor de pérdidas

IrP U.=

dieléctrico, a la que tendría este mismocondensador siendo el dieléctricoreemplazado por el vacío.


3 Medidas

En un transformador de potencia, la medidade la resistencia de aislamiento tiene comofin dar una útil información sobre su estado,con objeto de poner al descubierto posiblesdefectos de aislamiento y determinar pormedio de mediciones periódicas laprobable degeneración del mismo.

En general, la resistencia de aislamiento:

n decrece con:

– el aumento de tamaño de la máquina,– la mayor longitud del cable,– el aumento de temperatura (la resisten-cia de aislamiento con el transformador fríoes mayor que en caliente y asimismomayor que cuando los bobinados estánsumergidos en aceite).

n aumenta con:

– la mayor tensión de la máquina comoconsecuencia del mayor grosor del materialaislante. Los valores obtenidos son siemprerelativos, debido a que se ven influenciadospor:

– la humedad,– los deterioros en los aislantes,– la suciedad.

3.1 Medida de la resistencia de aislamiento en transformadores

Temperatura Factor oC K20 oC

0 0,255 0,36

10 0,5015,6 0,7420 1,0025 1,4030 1,9835 2,8040 3,9545 5,6050 7,8555 11,2060 15,8565 22,4070 31,7575 44,70

Fig. 5: Factor de corrección a 20 oC de la resistencia de aislamiento.

– un aumento apreciable de la resistenciade aislamiento durante el tiempo deaplicación de la tensión denota un buenestado de los aislantes de devanados encaso de transformadores,

– un aislamiento pobre denota humedad,suciedad y/o deterioros,

Es fundamental indicar por tanto, lascondiciones de medición, tanto deltransformador (si está totalmentedesconectado o incluye parte delembarrado y cables) así como la de sutemperatura, la del ambiente y humedadrelativa.

Los valores obtenidos serán referenciadosa 20 oC utilizando el factor de corrección K,tal que obtengamos:

R20 oC = Rmedida . K

El factor K, para los transformadores enbaño de aceite (temperatura del aceite muysimilar a la de los devanados) toma losvalores indicados en la figura 5 .

Para el caso de transformadores secos(temperaturas tomadas en bobinados), setiene:

1.- Bornes-condensadores2.- Bornes-resínas sólidas3.- Bornes y cables compound4.- Trafos aceite

1

2

3

4

R20 oC = Rt . Kt 20 0C

Temperatura ambiente oC

0 10 20 30 40 50 60

100

4030

20

10

5

1.0

0.5

0.1

Kt 2

0 o C


Fig. 6: Factor de corrección a 40 oC de la resistencia de aislamiento.

Temperatura Factor oC K40oC

0 0,0655 0,095

10 0,1315 0,1920 0,2625 0,3330 0,5235 0,7040 1,0045 1,5050 2,0255 2,9060 4,20

R40 oC = Rmedida . K

La constante K toma, en este caso, losvalores de la figura 6 .

La resistencia de aislamiento esdirectamente proporcional al potencialaplicado e inversamente proporcional a lacorriente resultante y al tiempo necesariopara su estabilización.

Esta fórmula determina:

n que es necesario controlar con el Meggerla estabilidad de la corriente, o bien,efectuar lecturas a tiempo fijo, por ejemplo,después de mantener durante un minuto latensión aplicada, leyendo a continuación elvalor de la resistencia de aislamiento,

n el potencial aplicado se deberá elegircon relación a la tensión nominal de losdevanados, según:

Tensión Tensióndevanados Megger

< 1 000 V 500 V1 kV a 10 kV 2 500 V

> 10 kV 5 000 V> 130 kV 30 000 V

La mayoría de las grandes máquinas,tienen además de una resistencia deaislamiento, una capacitancia interna quepuede ser más importante de lo que puedeparecer. Cuando se aplica un voltaje de c.c.con un equipo adecuado, el efecto es el

descargar un condensador con fugas através de una resistencia en serie, la cuales la del mismo equipo. La corrienteresultante tiene como anteriormente se dijo,tres componentes:

n Corrientes de carga capacitiva. Son degran magnitud y corta duración,desaparecen antes de la toma de datos, noafectando a la medida. Dependen de lascaracterísticas del dieléctrico.

n Corrientes de absorción. Varían enproporción decreciente con el tiempo desdeun valor inicial relativamente alto hasta unvalor cero. La relación resistencia/tiempoes una relación de potencia pudiendo serrepresentada en un papel logarítmico comouna línea recta. Normalmente la resistenciamedida en los primeros minutos deldesarrollo de una prueba es debidaprincipalmente a la corriente de absorción.

n Corrientes de conducción. Fluyen através del dieléctrico y son constantes en eltiempo de aplicación de la tensión demedida. A su vez se dividen en doscomponentes:

– Corrientes superficiales o de fuga. Sonsendas de corriente que se deslizan por lasuperficie de los aislamientos y sonconstantes en el tiempo. Dependenprincipalmente de la película de humedad,mezclada con polvo y otras sustanciasextrañas depositadas sobre la superficie delmaterial.

Factor de corrección a 40 oC de laresistencia de aislamiento

R 40 0C = Rt . Kt 40 0C

Temperatura del bobinado en oC

Kt 4

0 0C

100

50

5

1.0

0.5

0.1

0.05

-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10


– Corrientes volumétricas. Fluyen por elinterior del cuerpo dieléctrico y al igual quelas corrientes de fuga, son prácticamenteestacionarias con el tiempo. Estas dosúltimas corrientes predominan una vez quela corriente de absorción se ha hechoinsignificante.

Observamos que las corrientes de cargacapacitiva y las de absorción son variablescon respecto al tiempo, por lo que lacorriente total también variará de la mismaforma. Ello implica que la resistencia deaislamiento variará igualmente.

Existen tres métodos de comprobación dela resistencia de aislamiento en c.c. que sefundamentan en este concepto.

3.1.1.- Método de un minuto

Consiste en aplicar un voltaje de prueba alaislamiento manteniéndolo constantedurante un minuto. Se toma la resistenciade aislamiento al final de este periodo. Si laresistencia disminuye durante la aplicaciónde la tensión, el aislamiento denota posiblehumedad o contaminación superficial. Sipor el contrario la resistencia deaislamiento aumenta constantementedurante este periodo, denota que elaislamiento está seco y sus superficiesestán limpias, sin contaminación.

3.1.2.- Método tiempo-resistencia

Cuando se aplica un voltaje de prueba a unaislamiento y la intensidad disminuyedurante la comprobación, aumenta laresistencia aparente del aislamiento, esteincremento puede ser bastante rápido alprincipio, pero pueden pasar varios minutosantes de que llegue a un valor constante,particularmente sí el aislamiento está seco.

Por otra parte, si el devanado está húmedoo sucio, la corriente de conducción seráalta y la corriente de absorción serácomparativamente baja (véase «curva típicatiempo-resistencia»).

Es evidente que la curva tiempo-resistenciapuede servir como indicación del estado del

aislamiento. No será necesario trazar todala curva, sino anotar la lectura un minutodespués de la aplicación de la tensión deprueba y a los diez minutos posteriores.

A veces, a este método, se le ha dado elnombre de «prueba de absorcióndieléctrica» por estar basado en el efectode la absorción de un buen aislamientocomparado con otro contaminado porsuciedad, grasa, etc. tomando el nombre deíndice de absorción dieléctrica, la relaciónde dos lecturas tiempo-resistencia. Esdecir, la lectura tomada a los 6 segundosdividida por la lectura tomada a los 30segundos.

Al término aplicado al índice de absorcióndieléctrica como la relación entre laresistencia aparente del aislamientodespués de 10 minutos y la resistenciaaparente del aislamiento después de unminuto, se le conoce como «índice depolarización» y se define también, como latendencia que tienen los aislantes aincrementar sus valores durante el tiempoen que se aplica el potencial de prueba.

Es evidente que una curva ascendentecorresponde a un índice más alto y unacurva plana a un índice bajo.

Las ventajas de este método son:

n es independiente de la temperatura,

n es independiente del tamaño del equipobajo prueba,

n muestra directamente la condición deaislamiento sin necesidad de referirse a losresultados de pruebas anteriores.

3.1.3.- Método de las dos tensiones

Es la aplicación de un voltaje de pruebadurante un tiempo conocido, por ejemplo,un minuto, midiéndose la resistencia deaislamiento aparente una vez finalizadoeste tiempo. Se eleva posteriormente elvoltaje hasta un nivel determinado,midiéndose la resistencia de aislamiento alfinal del mismo.


Fig. 7: Método de las dos tensiones.

3.2 Medición y prácticas de la resistencia de aislamientos

3.2.1.- Medidor de resistencias deaislamiento

Para la medición de la resistencia deaislamiento, se emplea esencialmente elmegómetro (figura 8 ).

Las partes esenciales de este instrumentode medida son:

n Generador, cuya misión es proporcionaruna tensión continua que se aplica en loselementos a medir.

n Cuadrante o escala del elemento demedida, donde van grabadas las medidasdirectamente en MΩ (millones de ohmios)o en kΩ (miles de ohmios).

El cuadro donde se efectúan las medidasdispone de varias escalas. A las lecturas seles aplicará un factor de correccióndependiente del valor de la tensión quevendrá indicada en el selector de tensiones.Otros cuadrantes son de doble escala paratodas las tensiones, la escala superior paralas medidas de mayor valor de resistencia yen la inferior la de menor valor.

n Selector de tensiones y escalas. Es elelemento que nos selecciona la tensión deprueba para aplicar a los elementos objetodel ensayo.

El selector de tensiones puede seleccionarel alcance de las escalas y tener reflejadoslos factores de corrección de éstas.

Fig. 8: Circuito básico de un megómetro Megger.

Si una prueba que se realiza a 500 V y (unavez descargado el equipo en prueba)seguidamente aplicamos una tensión de2 500 Y observáramos que las lecturastomadas a 2 500 son inferiores que a 500 Vdetectará un fallo a la tensión de pruebamayor, siendo necesario investigar lasposibles causas.

Es cierto que el valor de la resistencia deaislamiento disminuye a medida queaumenta la tensión de prueba, sin embargopara devanados en buen estado, los valoresobtenidos son muy parecidosindependientemente de la tensión aplicada.Es suficiente con un tiempo para la pruebade 60 segundos (figura 7 ).

Tensión 500 V

Tensión 2500 V

Resistencia deaislamiento

Tiempo (segundos)- Tensión Megger 500 V- Tensión Megger 2500 V

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

A

B

Elemento demedida Resistencia

interna R'L

G

E

Fuentede

alimentaciónBornes

-

+


Los selectores de escalas, como sunombre indica, seleccionan las distintasescalas de que disponen los aparatos demedida.

n Bornes de salida. Los megómetrospueden disponer de dos o tres bornes, enlos cuales van marcadas las polaridades(–), (+) o bien las letras L - E; si disponendel tercer borne, vendrá marcado por lasletras S o G.

En las dos primeras (– , +) o (L - E) esdonde se dispone de la f.e.m. quequeremos aplicar y el borne (S o G),denominado «guarda», evita que lascorrientes superficiales afecten a la medidade aislamiento. El borne de guarda tiene lamisma polaridad que la línea (– ó L).

3.2.2.- Medida de los aislamientos

Con la medida de aislamiento podremosdeterminar en primer lugar el estado deconservación de las máquinas ycomponentes eléctricos de una instalación,y en segundo lugar nos indica cuándodebemos aplicar las técnicas de secado adichos elementos. Por ello es importantetener en cuenta los siguientes aspectos:

n 1.- La medición de la resistencia deaislamiento se realiza normalmente con elmegómetro obteniéndose los resultados enmiles de ohmios o megaohmios.

n 2.- Antes de cada prueba de aislamiento,se deberán realizar las siguientesoperaciones con el megómetro:

o a) conectando el megómetro con loscables de prueba cortocircuitadoscomprobar que la indicación en la escalasea cero (O),

o b) compruébese igualmente que elaparato marca infinito (∞) con los cablesconectados y a circuito abierto (figura 9 ).

n 3.- Estas mediciones realizadasperiódicamente nos permiten disponer dehistoriales evolutivos del estado deconservación de los componentesdieléctricos de una máquina o circuitoeléctrico.

n 4.- La prueba de la resistencia deaislamiento no es destructiva y es muyapropiada antes de la puesta en marcha demáquinas e instalaciones.

n 5.- Las lecturas de resistencia deaislamiento no sólo son cuantitativas sino asu vez son relativas y comparativasviéndose totalmente influenciadas por latemperatura, humedad, suciedad ydeterioros.

Es por tanto necesario cuando se efectúeuna medición, limpiar los elementosaislantes, quitar la humedad si fueranecesario y sobre todo anotar latemperatura ambiente y la humedadrelativa, también la temperatura de lamáquina si se disponen de medios.

n 6.- Se deberá delimitar la zona de ensayocon barreras, cintas y señales deadvertencia.

n 7.- Se deberán poner a tierra loselementos objeto de ensayo, antes ydespués de realizar cualquier prueba demedición de aislamiento.

Debido a las características de los circuitosy equipo eléctrico a comprobar, (bobinas,cables, condensadores, etc.) lasmediciones se efectúan con corrientecontinua, ya que con corriente alterna laslecturas inducirían a errores, debido a quela corriente de circulación estaría limitada,por la resistencia del aislante y por lascorrientes inductivas y capacitivasgeneradas.

Fig. 9: Comprobaciones del megómetro. Operaciones previas a la medida con megómetro.

Circuito abierto Circuito cerrado

A BEGL

EGL


También existen dos errores muy comunesen la medición de la resistencia deaislamiento, que deberemos tener encuenta para poderlos evitar:

n El primer error se produce cuando no seespera que la aguja del instrumentopermanezca estacionaria. El tiempo nece-sario dependerá del tamaño, potencia de lamáquina y de la absorción dieléctrica de lacorriente de aislamiento (figura 10, «A» ).

n El segundo error se suele producirdebido a la gran variación de la resistenciacon la temperatura. Por lo tanto seránecesario indicar la temperatura de medidacon exactitud razonable (figura 10, «B» ).

Dada la importancia de este aspecto, seacepta como regla general, que el valor dela resistencia de aislamiento aumenta odisminuye el doble en cada variación detemperatura de ± 10 ºC el empleo de estaregla es orientativo, no pudiéndose aplicarespecíficamente a cada máquina.

3.2.3.- Aplicación del método tiempo-resistencia

Este método está basado en el hecho deque el aislamiento en buenas condiciones,relativamente seco y libre de humedad,muestra con la aplicación de la tensión deprueba, un aumento en su resistencia deaislamiento.

Este método se fundamenta en elfenómeno de absorción (figura 11 ).

Por lo tanto deducimos que si existe unaumento apreciable de la resistencia deaislamiento durante el tiempo de aplicaciónde la prueba, el aislamiento estará enbuenas condiciones.

La aplicación práctica de este método,consiste en determinar la relación de doslecturas de resistencia de aislamientohechas a intervalos de tiempo diferentesdurante la misma prueba. Las condicionesdel aislamiento en función de la relación deabsorción las podemos ver en la siguientetabla:

Fig. 10 : Curva «A» : Aislamiento/temperatura. Curva «B» : Aislamiento/potencia.

Tensión 500 V

Tensión 2500 V

Resistencia deaislamiento

Tiempo (segundos)- Tensión Megger 500 V- Tensión Megger 2500 V

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

A

B

Fig. 11: Método de las dos tensiones.«A»: curva de un dieléctrico satisfactorio.«B»: curva de un dieléctrico que revelacontaminación o humedad. Curva típica tiempo/resistencia.

1000

500

50

10

1

20 40 60 80 100 120 140

100

20

2

0

AIS

LAM

IEN

TO E

N E

STA

DO

LIMP

IO Y

SE

CO

AIS

LAM

IEN

TO A

NTE

S D

EL S

EC

AD

O

Res

iste

ncia

de

aisl

amie

nmto

Temperatura del devanado 0C

Gran potencia

Pequeña potencia

1000

100

100,1 1,0 10,0 100,0

minutos

Aislamiento(Megohm)

Curva «A» Curva «B»


Absorción Índice Condicionesdieléctrica polarización de

aislamiento60s/30 s 10min/1minRelación Relación Condición

------ < 1 peligroso< 1,1 < 1,5 pobre

1,1 a 1,25 1,5 a 2,0 dudoso1,25 a 1,4 2,0 a 3,0 aceptable1,4 a 1,6 3,0 a 4,0 bueno> a 1,6 > a 4,0 excelente

Cuando las lecturas de los aislamientos setoman a 30 s y 60 s se denomina a estamodalidad, método de tiempo corto (seaplica a máquinas de pequeña potencia).

La relación de absorción está determinadapor el cociente que resulta de dividir lalectura tomada a 60 s y a 30 s.

La relación a 10 min y 1 min se conocecomo índice de polarización (se aplica amáquinas de gran potencia). El índice depolarización puede ser una guía muy útildel estado de sequedad y limpieza dedevanados. Además proporciona una útilindicación para ver si el transformador seencuentra en condiciones de ser sometidoa un «test dieléctrico» (ver «rigidezdieléctrica»).

3.2.4.- Aplicación del método de las dostensiones

Este método, también basado en elfenómeno de absorción, suele aplicarsepara determinar la presencia de humedaddentro de las partes activas.

Para la correcta aplicación de este métodose tendrá en cuenta:

n 1.- La relación entre las tensioneselegidas para la prueba se aconseja quesea de 1 a 4, por ejemplo: 500 V la tensiónmás pequeña y 2 500 V la tensión máselevada.

n 2.- La resistencia de aislamiento seprueba a base de lecturas de tiempo corto,para una mejor precisión, durante 60 segpara cada tensión.

n 3.- Se efectuarán las pruebasempezando por la tensión mas pequeña, enel ejemplo anterior 500 V y después seaplicará el potencial mayor 2 500 V.

n 4.- Si obtenemos un valor más bajo deresistencia de aislamiento con la tensión deprueba más elevada (2500 V) será indicio,normalmente, de presencia de humedad.

n 5.- Experimentalmente se hacomprobado que cambios del 25% en laresistencia de aislamiento, respetando larelación 1 a 4 en las tensiones de prueba,se debe a la presencia de cantidadesexcesivas de humedad.

3.2.5.- Medición del devanado de BTcontra AT, sin el borne de guarda

Con la medición de la resistencia deaislamiento sin el borne de guarda,determinaremos en realidad, la resistenciaglobal del transformador, siendo laresultante RA la suma de dos resistenciasen paralelo, una R, la propia de losdevanados (caso de la medida deldevanado de AT respecto al de BT) entre siy otra R2, de fuga superficial (figura 12 ).

Fig. 12: Medida BT contra AT sin borne de guarda.

RA = Resistencia al aislamientoIC = Intensidad de conducciónR1 = Resistencia de

aislamiento volumétricaI1 = Intensidad a través del

aislanteR2 = Resistencia del

aislamiento superficialI2 = Intensidad de fuga

superficialV = Tensión de prueba del

megómetro

EGL

CUBAAT

BT

2R2 = V/

1R1 = V/

R2

R1

2

1

2

C

C

CRA = V/

E L

5000 V


Observamos que la resistencia RA, esinferior a R1, que es la resistencia de losdevanados.

A A 1

1 2

1R R R

1 1R R

= ⇒ ≤+

3.2.6.- Medición con borne de guarda

Para evitar, en las pruebas de aislamiento,que las corrientes de fuga superficialesincidan en las mediciones, utilizaremos elborne de guarda del megómetro.

Con el borne de guarda conseguiremoseliminar la resistencia de fuga superficial Ral retornar al aparato de medida la corrientede fuga I2, restándole ésta a la intensidadde conducción Ic, de esta forma obtenemosla resistencia de aislamiento exclusiva delos devanados (figura 13 ).

Es evidente que es deseable que las dosmediciones, con y sin borne de guarda,sean coincidentes, lo cual nos indicaría quedicho transformador carece de fugassuperficiales.

Es interesante recordar, que a la hora deevaluar una medición de aislamiento, hayque tener muy presente la humedad relativaexistente en el momento de la prueba, yaque cuanto mayor sea ésta, mayores seránlas fugas superficiales, siendo por tantomenor la resistencia de aislamientoobtenida en la modalidad sin borne deguarda, sin embargo, el aislamientoobtenido en la modalidad con borne deguarda, no se verá influenciado por estacausa.

Debido a esta circunstancia, esconveniente efectuar las pruebas con bornede guarda, con objeto de poder contrastarvalores con otras medidas obtenidasanteriormente y poder elaborar un historialde aislamientos fiable y lógico.

Fig. 13: Medida BT contra AT con borne de guarda.

EGL

CUBAAT

BT 1R1 = V/

R2

R1

2

1

1

2

2

C

C

RA = R1

E

L

G

RA = Resistencia al aislamientoIC = Intensidad de conducciónR1 = Resistencia de

aislamiento volumétricaI1 = Intensidad a través del

aislanteR2 = Resistencia del

aislamiento superficialI2 = Intensidad de fuga

superficialV = Tensión de prueba del

megómetro


Conexión de megómetros en función delelemento de la instalación eléctrica acomprobar:

n Ejemplo «A»

o Comprobación de un cable de potencia:

Aislamiento de un conductor respecto atierra, protegido de las corrientessuperficiales de los demás conductores(figura 14 ).

o Comprobación de un cable de potencia:

Aislamiento de un conductor respecto a losdemás y tierra, protegiendo de lascorrientes superficiales (figura 15 ).

n Ejemplo «B»

o Comprobación de bornes, botellas,terminales, pasamuros, etc. (figura 16 ).

3.3 Ejemplos gráficos de conexión

Fig. 16.

Fig. 14 .

Fig. 15 .Fig. 18: Prueba de AT contra tierra protegidoen BT.

Fig. 17: Prueba de AT contra BT protegido atierra.

n Ejemplo «C»

o Comprobación de transformador depotencia:

Aislamiento del primario respecto alsecundario, protegiendo a masa contracorrientes superficiales (figuras 17 y 18).

EGL

Carcasa Manguera demúltiples hilos

Hilo bajoprueba

EGL

Mallaexterior

Aislamiento

Conductorbajo prueba

EGL

Borne

Guarda

EGL

EGL


o Medida del aislamiento del devanadoprimario respecto a tierra, protegiendocontra corrientes superficiales en devanadosecundario (figura 19 ).

o Medida del aislamiento del devanadosecundario respecto a tierra, protegiendoen devanado primario contra corrientessuperficiales.

n Ejemplo «D»

o Comprobación de disyuntores: Medidade la resistencia de aislamiento de un polorespecto a tierra (con disyuntor cerrado)(figura 20 ).

o Medición de la resistencia de aislamientoentre cámaras (con disyuntor abierto)(figura 21 ).

Fig. 19: Prueba de BT contra tierra protegidoen AT. Fig. 21: Medida de aislamiento de cámaras.

Fig. 20: Medida de aislamiento de polos contramasa.

3.4 Valores mínimos de la resistencia de aislamiento

Niveles de aislamiento

Dentro de los criterios de aceptación, serecomienda como regla práctica laposibilidad de considerar como válidosaquellos aislamientos cuya resistencia enmegaohmios supere el valor dado por lafórmula:

E(V)R K (M )

P= Ω

siendo:R = resistencia de aislamiento en MΩ,K = factor de corrección por temperatura,referido a 20 oC,E = tensión de servicio en V,P = potencia de la máquina en kVA.

Desde muy antiguo se acepta de una formapoco científica, que el valor del aislamientomínimo para la tensión de 1 kV ha de serde 1 MΩ y, aplicado a tensiones máselevadas, se dice que ha de ser:

1 MΩ . kV + 1.

El CEI (Comité Electrotécnico Internacional)da la siguiente fórmula para el cálculo de laresistencia mínima de aislamiento:

ER

P 1 000≥

+

siendo:R = resistencia de aislamiento en MΩ,E = tensión de la máquina en V,P = potencia nominal de la máquina en kVA.

EGL

EGL

Con interruptorcerrado

EGL

Con interruptorabierto


Si la tensión E es inferior a 1 000 V, laresistencia de aislamiento deberá ser de1 MΩ y no se tendrá en cuenta la fórmulaanterior.

Experimentalmente se aceptan los valoresmínimos, expresados en MΩ, siguientes enfunción de la tensión nominal y latemperatura:

Tensión MΩ/20 oCnominal

≥ 66 kV 1 20022 a 44 kV 1 0006,6 a 19 kV 700

< 6,6 kV 300

Para máquinas rotativas, la resistenciamínima de seguridad recomendada por laAIEE (Instituto Americano de IngenierosEléctricos y Electrónicos) para equiposeléctricos a la temperatura de 75 oC nos dala siguiente fórmula. Ésta tiene por objetoservir de guía y no se debe tomar comoregla precisa:

1 SE 3600

R S K fkVA

20030

+=+

siendo:

R1 = resistencia de aislamiento mínimo enMΩ, medida con corriente continua a 500 Vdurante 1 minuto,

E = tensión nominal de la máquina en V,

kVA = potencia nominal de la máquina,

S = constante de velocidad del devanado,para:

S Velocidad (rpm)

1,3 36001,0 16000,9 12000,7 6000,4 100

KS = constante dependiente de la clase deaislamiento:

1 para clase B0,1 para clase A

f = constante de la temperatura deldevanado:

Aislamiento Aislamientoclase B clase B

f Temp. oC f Temp. oC

1 75 1 752,6 50 6,9 506,9 25 47 25


Según las recomendaciones de la CEI, losvalores normalizados de las tensionesnominales en MT, expresados en kV, sonlos siguientes:

Vn: 3 - 6 - 10 - 15 - 20 - 30 - 45 kV.

A cada escalón de tensión de esta serie sele hace corresponder un valor de tensiónmáxima Vm que puede darse en condicionesde servicio normales.

Estos valores normalizados por CEI son lossiguientes:

Vm: 3,6 - 7,2 - 12 - 17,5 - 24 - 36 - 52 kV.

En una red normal, la máxima tensión nodebe sobrepasar los valores máximos deVm indicados. Estos valores sonesencialmente para el dimensionado delmaterial y, sobre todo, para su aislamiento.

4 El aislamiento con relación a la tensión

4.1 Variaciones dieléctricas debidas a la aplicación de la tensión nominal

El escalonamiento de tensiones para redestrifásicas de baja tensión, es el siguiente:

127/220 V(127 V entre fase y neutro;220 V entre fases),

220/380 V(220 V entre fase y neutro:380 V entre fases),

600 V (entre fases)

Debiendo mantenerse la tensión de servicioentre el ± 10 % de los valores nominalesanteriormente citados.

Variaciones dieléctricas debidas a laaplicación de la tensión nominal.

En todo momento, el aislamiento de unmaterial eléctrico deberá resistir lasvariaciones dieléctricas que resulten de laaplicación de la tensión asignada.

Estas variaciones conducen, en caso deinsuficiente aislamiento, a la perforaciónbrusca del mismo, a recebados del arco en

su superficie, o a la destrucción lenta yprogresiva del aislamiento por efectotérmico.

La alteración sufrida por un dieléctricodepende de la tensión aplicada y deltiempo de mantenimiento de la misma.

4.2 Esfuerzos dieléctricos. Sobretensiones

Los esfuerzos dieléctricos a los que sueleestar sometido el aislamiento de losequipos eléctricos pueden ser de origenexterno o interno.

4.2.1.- Sobretensiones externas

Tienen su origen en descargas atmos-féricas, con una velocidad de propagaciónpróxima a la velocidad de la luz(300 000 km/s). Estas descargas semanifiestan normalmente en forma deondas de frente escarpado, alcanzando suvalor máximo en el corto espacio de tiempode 1 ms y disminuyendo al valor cero enunos 100 ms.

Se ha fijado en 1,2/50 µs la onda de pruebapara realizar ensayos dieléctricos conimpulsos de tensión, según normas UNE yCEI, referentes a ensayos en instalacionesde AT (figura 22 ).

Las sobretensiones de origen externopueden ser de los siguientes tipos:

o descarga directa sobre la línea; son lasmás peligrosas,o descargas entre nubes próximas a líneas(descarga inducida),o descarga entre líneas y tierra (descargaindirecta,o efecto pantalla en edificaciones(descarga reflejada).


4.2.2.- Sobretensiones internas

Tienen su origen en las variaciones decarga de la red, maniobras de desconexiónde interruptores, fallos a tierra, puestas enservicio de líneas aéreas o subterráneas,desconexión de transformadores envacío, etc.

A continuación se resumen las principalescaracterísticas de las sobretensionesinternas, según su origen:

n Sobretensiones de maniobra

Las principales sobretensiones demaniobra se deben a la apertura deinterruptores, fusión de fusibles ydesconexión de transformadores quetrabajan en vacío.

n Sobretensiones de puesta a tierra

Se consideran únicamente las que formanparte de fenómenos transitorios producidosdurante la puesta a tierra e interrupción dela misma. Los arcos producidos son muyperjudiciales y las sobretensionesoriginadas por ellos pueden alcanzarvalores de 3.1 veces la tensión nominalentre fases, pudiendo disminuir a 1.3cuando el neutro está rígidamente unidoa tierra.

E

50% E

100% E

1,250

s

n Sobretensiones a la frecuencia deservicio

Son las originadas en las centraleseléctricas a consecuencia dedisminuciones bruscas de carga en la redque alimentan, al permanecer constante laexcitación del alternador, motivando elembalamiento de la turbina.

n Sobretensiones de puesta en servicio delíneas

La puesta en servicio de una línea, aérea osubterránea origina una onda estacionariade corta duración que normalmente seamortigua a lo largo de la red.

Fig. 22: Forma de la onda 1,2/50 µs.

4.3 Ensayos dieléctricos normalizados

En la práctica industrial sobretransformadores, su aislamiento se haprevisto desde antiguo, para poder soportar,durante un minuto, dos veces la tensiónnominal a la frecuencia industrial.

Esta regla, a pesar de su origen empírico,ha resultado satisfactoria en su empleo yno ha sufrido más que ligerasmodificaciones (para las muy bajas y muyaltas tensiones). Corresponde al ensayodieléctrico llamado de «tensión aplicada».Consiste en poner sucesivamente cadadevanado a un potencial uniforme defrecuencia industrial estando los otrosdevanados unidos entre ellos y a masa, asícomo una tierra. Este ensayo dura unminuto (figura 23 ).

Fig. 23: Equipo portátil para ensayo de tensiónaplicada hasta 75 kV.

KV0 75 dc0 100

m

VOLTAGE RANGE

LOW

MED

HIGH

Hi pot r oni cs

ALL POWER

ON

OFF

F1

F2

HIGH VOLTAGE

ON OFF

RAISE VOLTAGECURRENT RANGE

X1

X10

X100

OVERLOADSENS

MAX MIN

RESET

Esquema de conexionado HIPOTRONICS

Elemento a ensayar(-)

(+)

220 V ca Toma detierra


Sin embargo este ensayo no compruebamás que el aislamiento entre devanados deuna parte y entre devanados y tierra porotra; el aislamiento entre espiras y entrebobinas no se comprueba. Para ello esnecesario inducir (alimentando por bajatensión, por ejemplo) una tensión doble dela tensión nominal, que aparecerá a la vezentre espiras, entre bobinas y entre fases.

Para no sobrepasar la inducción normal enel núcleo magnético, se operacorrientemente con frecuencia aumentada(doble o triple de la frecuencia industrial).Este ensayo se llama «de tensióninducida». Se observa que compruebaigualmente el aislamiento respecto a tierra.

Pero las sobretensiones de origenatmosférico de frente muy escarpado tienencomo característica el repartirse muydesigualmente en los devanados. Pudiendopor ello ocasionar entre espiras y entrebobinas esfuerzos muy superiores a dosveces el valor nominal.

Éste es el motivo de establecerse enfábrica el ensayo llamado «de ondas dechoque» que tiene por objeto el reproducirpor descarga de condensadores, sobre

tensiones análogas a las provocadas enexplotación por los rayos y, en particular, laonda de choque normalizada 1/50 µs. Esteensayo también comprueba el aislamientorespecto a tierra.

Los ensayos dieléctricos correspondientesa cada tensión normalizada están dados enla tabla de la figura 24 .

Niveles de aislamiento (Sistema EuropeoVDE O111/IEC 71-1)

Acabamos de examinar los ensayosdieléctricos que comprueban la aptitud deun aislamiento para soportar lassobretensiones, pero la experiencia hademostrado que la simple aplicaciónpermanente de la tensión de servicio,puede producir en ciertas circunstancias,averías. Se trata generalmente de defectoslocales de evolución lenta y debidos a lapresencia de efluvios. Los aislantescerámicos suelen ser poco sensibles enestos casos, pero los aislantes orgánicospueden ser progresivamente destruidos porcarbonización. Están desarrollándoseestudios para llevar a cabo métodos demedida de ionización en los aislantes.

Tensión máxima Tensión alterna Tensión de choque 1,2/50 µs

de la red entre fases nominal soportable Aislamiento reducido Aislamiento pleno(kV) valor eficaz (kV) valor eficaz (kV) (kV)

3,6 10 20 407,2 20 40 6012 28 60 75

17,5 38 75 9524 50 95 12536 70 145 170

Fig. 24: Niveles de aislamiento.

el aislamiento del equipo eléctrico de media...

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