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1 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 1 de 9 6. Uso de la tangente delta para la evaluación y/o seguimiento del estado de los aislamientos. La medición de la tangente delta se encuentra aplicada para el control de los aislamientos en los diversos pasos de su conformación. Y también se la utiliza para evaluar su evolución en el tiempo, con el objetivo de anticiparse a la falla abrupta. Trataremos de exponer los distintos casos en que se hace uso de este parámetro. Cabe mencionar que en la bibliografía se presentan tres formas de expresar los valores de la tangente delta: Por unidad o en valores absolutos, por ejemplo: 0.01, conveniente para su utilización en las fórmulas. En porciento (%) en que el ejemplo anterior es: 1 %. Es la forma más difundida. En por mil (10-3 ) en que el ejemplo es: 10 x Es la preferida por las Normas. Materiales varios. Para la valoración o análisis de dieléctricos para ser utilizados luego en los dispositivos eléctricos se tiene la Norma IRAM 2114/93: Materiales aislantes eléctricos sólidos; determinaciones de la permitividad (y del factor de disipación (tangente delta), en la que se detallan los métodos de medición y los electrodos normalizados. En ella se hace referencia a otras dos normas relativas al tema que nos ocupa: IRAM 2057/52 - Constante dieléctrica y factores de potencia de materiales aislantes. Especímenes y electrodos. IRAM 2080/51 Constante dieléctrica y factor de potencia de materiales aislantes. Ecuaciones fundamentales de cálculo. Cables. La medición de la tangente delta del aislamiento de los cables de media tensión está prescrito, por ejemplo, por la Norma IRAM 2178: Cables de energía aislados con dieléctricos sólidos extruídos para tensiones nominales de 1.1 kv a 33 kv. En los ensayos por muestreo de recepción se prescribe la medición de la tangente delta a 0.5 Uo, Uo y a 2 Uo, siendo Uo la tensión entre conductor y neutro especificada para el cable. También la Norma especifica valores límites máximos a obtener, distintos según el material del aislamiento, tanto para la tangente delta a Uo como para su incremento entre 0.5 Uo y 2 Uo. A modo de ejemplo, para un cable con un compuesto aislante a partir del polietileno reticulado (XLPE) los máximos permitidos son: para la tangente delta a Uo, de 0.4 %; para su incremento, 0.2 %. La referencia al cambio esperado de la tangente delta con la temperatura se encuentra también en la Norma, con la prescripción de valores límites medidos a la temperatura del servicio nominal del cable. Estos límites duplican a los valores especificados para los de la temperatura ambiente. Pero, para dar una idea de la complejidad del tema y de las dificultades para la normalización de valores, en la Figura 15 se presentan curvas típicas para los diversos materiales utilizados en los cables, extraídas de la Publicación Nº 77/11 del CESI: Sul significato fisico dell angolo di perdite nei dielettrici, de G. Degli Esposti, W. Mosca y D. Perinelli. Los autores expresan que los valores de las tangentes delta de estos materiales se encuentran muy influenciados por los componentes de la mezcla del polímero.

2 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 2 de 9 A modo de ejemplo se muestran en la Figura 16 los cambios que podrían esperarse de los materiales anteriores según el mismo escrito, como resultado de procesos incorrectos de fabricación. FIGURA 15 FIGURA 16 Luego, en servicio, la comparación de los valores actuales con el original o de inicio será la base para evaluar su estado. Un incremento de la tangente delta nos informará de su humectación y/o degradación, aunque no hay valores límites claramente definidos para esta etapa. La duplicación del primer valor puede ser el nivel para el llamado de alerta. Por ello, la determinación de la tangente delta, junto a la resistencia de aislación y la verificación de la rigidez dieléctrica con cc. (Hi-Pot), conforman el conjunto de ensayos habituales utilizados en el seguimiento de los aislamientos de los cables. Transformadores en aceite. El secado de los materiales sólidos antes de la impregnación en el aceite es una operación muy importante, especialmente cuando la unidad es para tensiones de 132 kv o superiores. En este caso se evalúa el estado alcanzado mediante la medición de la tangente delta, ya que este parámetro se encuentra fuertemente influenciado por la cantidad de agua que tiene en su interior. En el punto 4.4) se ha mostrado una curva que justifica la utilización de esta medición, ante las grandes variaciones que se detectan por pequeñas cantidades de agua. Se acostumbra a medir la tangente delta cuando la parte activa se encuentra al vacío en el final de la etapa del secado y luego de su inmersión en el aceite. Valores de referencia utilizados por los fabricantes son: 0.30 % y 0.50 % respectivamente, llevados a 20 º C. La Norma IEC : Power Transformers, considera Ensayo especial a la medición de la tangente delta de los arrollamientos, indicando que los valores obtenidos no condicionan la recepción de la unidad y que servirán de referencia para el seguimiento de los aislamientos. A pesar de lo expresado en la Norma, un resultado inadecuado de la tangente delta en esas circunstancias debe ser motivo de análisis técnico. Es por ello que, en la recepción de la máquina, se ha extendido la costumbre de medir las tangentes delta del aceite y la de los arrollamientos. Así podremos asegurar un perfecto secado y fijar los valores de comparación para las mediciones futuras. Por otro lado, la Norma ASA C de 1965, en su Capítulo 7 describe el método de obtención de las tangentes delta de los arrollamientos de los transformadores y define,

3 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 3 de 9 además, los factores de variación térmica que pueden ser utilizados para referirlas a 20 ºC (Tabla Nº 1). Temp. (ºC) Coeficiente TABLA 1 Nadie duda que los ensayos físico-químicos sobre las muestras del aceite aislante extraído del transformador son las determinaciones más idóneas utilizadas para comprobar el estado de ese dieléctrico. Entre los eléctricos se encuentran la rigidez dieléctrica y la determinación de la tangente delta. Estos dos ensayos indistintamente nos informan sobre humedad y degradación del aceite, lo que será luego discernible según el contenido de agua que se logre mediante el ensayo Karl-Fisher, por ejemplo. La Norma IRAM 2026 de 1998: Aceite Minerales aislantes nuevos, para Transformadores y Equipamiento de Maniobra fija el valor máximo de la tangente delta de 0.50 %, a obtener mediante el método descripto en la Norma IRAM 2340 y con el aceite a 90 ºC, valiendo para los inhibidos y no inhibidos. La Norma anterior ha sido superada por la IEC 422 de 1989: Supervision and maintenance guide for mineral insulating oils in electrical equipment, que diera lugar a la discusión de la IRAM 2400, próxima a aprobarse. En ambas Normas se establece que la tangente delta es un ensayo necesario (entre otros) para determinar si el estado del aceite es adecuado para continuar en servicio y dan valores máximos medidos a 90º C de: 1.5 % para aceites nuevos o regenerados en transformadores de potencia y medición de tensiones inferiores a 66 kv; 1.5 % también para cuando la tensión se ubique entre 66 y 150 kv; y 1.0 % para las tensiones superiores a 150 kv. Luego, para la evaluación del estado del aceite usado presenta tres niveles de la tangente delta medida a 90º C: FIGURA 17 Aceptable: menor o igual a 4%; Dudoso: entre 4.1 y 10 %; Inaceptable: mayor a 10%

4 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 4 de 9 Para apoyar el análisis que se pretenda hacer sobre un aceite usado se tiene la Figura 17 con curvas de la evolución de la tangente delta con la temperatura en sus diversos estados, extraída del escrito de la Publicación 77/11 del CESI mencionada en un punto anterior. La medición de la tangente delta de los arrollamientos complementa y ratifica a la del aceite y muestra, en general, la cantidad de agua que se encuentra retenida en el papel. Aisladores pasantes. La Norma IEC : Bushings for alternating voltages above 1000 V prescribe que la medición de la tangente delta en estos elementos es un Ensayo de rutina. Define, además, las tensiones a las que deben ser medidas y los valores e incrementos máximos permitidos. A modo de ejemplo indicamos que, para los aisladores pasantes del tipo capacitivo de papel impregnado en aceite utilizados en los grandes transformadores, los límites son: Tangente delta máximo a 1.05 Vn/3: 0.70 % Incremento máximo de la tangente delta entre 0.50 y 1.05 Vn/3: 0.10 % En el campo, la tangente delta es el único parámetro válido para controlar y asegurar el buen estado de los aislamientos sólidos internos de los aisladores pasantes de los transformadores ( bushings ). En los de tensiones de 132 kv o superiores es normal encontrar un sistema apropiado de medición, compuesto por un divisor capacitivo de tensión. Se toma en cuenta el incremento de su tangente delta, confrontándolo con el valor de origen que viene indicado en el protocolo de la unidad. Valores de referencia a 20 ºC son: % y % para aisladores de 500 kv y 132 kv respectivamente. Un incremento que duplicara el valor original debe ser considerado una llamada de atención importante. Estas determinaciones se llevan a cabo a una tensión de V, según lo indicado en la Norma American Standard C Para poder hacer correctamente las comparaciones es necesario tener en cuenta las temperaturas de medición, tal como ya se ha dicho. Como ejemplo se muestra en la Tabla Nº 2 el ajuste que prescribe ASEA para los bushings de sus aisladores tipo GOB 550. Temp. (ºC) Coeficiente TABLA 2 TV y TI en aceite. Cabe las mismas consideraciones y valores indicados para los transformadores de potencia, aunque las Normas relativas a estos aparatos no lo indican.

5 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 5 de 9 En la publicación Nº 76/11 del CESI de Italia: The Evaluation of Aging Conditions of High Voltage Current Transformers, por G. Gorlini, W. Mosca y M. Tellarini, se describen las verificaciones de los aislamientos de estos aparatos, entre los que se encuentran las tangentes delta del aceite y de los arrollamientos. En las conclusiones finales del escrito se sugiere la introducción de estos ensayos en las Normas de recepción. En la Figura 18 se tienen curvas características de las tangentes delta de los aislamientos de transformadores de corriente, según los autores. En el gráfico se han agregado unas leyendas relativas a los valores de un coeficiente de temperaturas que relaciona el incremento de la tangente delta por unidad de temperatura. Los autores opinan que la tensión crítica sobre la que el proceso térmico es incontrolado, tal como fue tratado en el Punto 5, está estrechamente relacionada con ambos parámetros ( y tangente delta), mediante una fórmula que presentan. FIGURA 18 Del mismo escrito se ha extraído la Figura 19 donde se muestran distintas características de las curvas de los aislamientos en aceite, por lo que también podrían valer para transformadores de mayor potencia. En 1 tenemos aislamientos en buena condición; en 2 aislamientos contaminados; en 3 con un contenido de humedad entre 2 y 5 % en peso; en 4 aislamientos con elevadas descargas parciales y fuertes calentamientos localizados. En estas unidades, de pequeño volumen, no es común la extracción rutinaria del aceite para llevar a cabo los ensayos físico-químicos. Incluso, algunas unidades modernas son herméticas, sin posibilidad alguna de poder extraerlo. Es, entonces, la medición de la tangente delta una determinación apropiada para evaluar el estado general del aparato. Y así se la usa junto a las obtenidas con el megóhmetro. FIGURA 19 Interruptores y seccionadores de MT y AT. Estos aparatos, que pueden contar con el aceite (o no) entre sus aislamientos, presentan importantes dificultades para su control en servicio. Como la rigidez dieléctrica está generalmente relacionada por caminos de contorneo y, en general sobre el aire, la

6 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 6 de 9 verificación rutinaria se apoya en la repetición de los ensayos de AT con 50 Hz, con la presunción que nada se afecta a los otros aislantes. Las muy bajas capacidades eléctricas hacen que los equipos necesarios para la ejecución de las verificaciones sean también posibles de transportar al campo. Sin embargo, en interruptores de MT con aceite aislante se han hecho experiencias con mediciones de las tangentes delta en los distintos estados de operación del aparato, a falta de la exigencia de Norma. En nuestro país el Ing. R. J. Fracchia trabajando para ESEBA ha desarrollado y publicado (CIGRE 13-1) unas interesantes experiencias de campo relativas al seguimiento de los interruptores a través de sus tangentes delta que muestran, además, los aportes que puede hacer un profesional dedicado a los controles en servicio. Obviamente en estos casos los valores serán fuertemente afectados por el estado del aceite aislante y, por ende, por la cantidad y tipo de aperturas del interruptor. Lamentablemente no es posible agregar más referencias o datos confirmados de este tema en particular. Cabe añadir que, para estos aparatos como para los anteriores: TV y TI, aparecen en el campo algunas dificultades para la correcta obtención de la tangente delta: Las bajas capacidades de los especímenes hacen obligados ciertos cuidados para limitar las capacidades parásitas a masa que se acoplan a las que se miden; Esa misma característica hace que las condiciones atmosféricas puedan afectar los valores a obtener por contaminación superficial; y Es natural tener perturbaciones eléctricas de líneas de AT cercanas en operación que se introducen en los circuitos de medición. Lo anterior motiva el uso de conexiones, métodos, blindajes e instrumentos especiales que hacen estas determinaciones un poco especiales. Transformadores secos. En estas máquinas, con aislamientos sólidos, se hace el barnizado mediante la impregnación o el encapsulado al vacío con resinas, luego de un secado apropiado cuya valoración se lleva a cabo como ya se explicó para el transformador en aceite: midiendo su tangente delta en el ciclo de deshidratación. Luego, a máquina terminada, una tangente delta reducida nos indicaría una correcta utilización de los materiales y un tratamiento térmico de polimerización bien ejecutado. Las referencias o valores óptimos a lograr los dará el fabricante de la resina, el que también asesora sobre los procesos más convenientes de polimerización. La Norma IRAM 2276 de 1990: Transformadores de potencia secos nada prescribe sobre la tangente delta. Sin embargo, es habitual encontrar los resultados de estas determinaciones en los protocolos de recepción de aparatos de cierta envergadura o importancia. Los valores entre 0.40 y 1 % son los esperados para aquellas máquinas con impregnación al vacío con resinas de clase F. Las variaciones de los valores iniciales de las tangentes delta de los arrollamientos que se han registrado en la máquina nueva nos mostrarán luego, en el campo, los grados de humedad interior y/o de envejecimiento que ha producido el servicio.

7 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 7 de 9 Capacitores. Estos elementos generalmente consisten de materiales sólidos especiales sumergidos luego en aceite aislante, por lo que los comentarios anteriores respecto al secado de los transformadores son aquí también válidos. El material sólido utilizado en estos aparatos: film de propileno biorientado, hace gala de las siguientes características: Reducidas pérdidas dieléctricas; FIGURA 20 Alta rigidez dieléctricas y Buena resistencia mecánica. En la Figura 20 se tiene una curva típica de la dependencia de la tangente delta con la temperatura, extraída de la Publicación 77/11 del CESI mencionada anteriormente, que se separa ligeramente de las formas tratadas hasta ahora. Por otro lado, estas unidades son, en general, herméticas y no es posible la extracción del aceite para su análisis, por lo que cabe, entonces, tener las mismas consideraciones indicadas para los TV y TI por esta causa. Lo especial de este caso es que el diseño del capacitor se hace considerando una superficie exterior de radiación y convección necesaria para evacuar las pérdidas internas, las que derivan de la tangente delta. Es por ello que el incremento de este parámetro trae naturalmente aparejado un estado térmico superior de igual orden, siendo así el proceso siempre negativo para nuestro aparato. Es por ello que el incremento de las pérdidas internas (de la tangente delta) marca el inicio de la última porción de la vida del dieléctrico. Resta sólo agregar que, junto a lo anterior, se observará también el aumento de la capacidad eléctrica haciendo más gravoso el tema térmico. (Ver las fórmulas de las pérdidas específicas). Máquinas rotantes: motores y generadores. Los aislamientos de estas máquinas son exclusivamente de materiales sólidos. Para la impregnación (barnizado) de los arrollamientos de baja tensión, se evalúa el secado anterior mediante los valores de las resistencias de aislamiento o de la tangente delta, siendo esta última el parámetro más seguro para saber el grado de humectación del dieléctrico. A pesar de ello, está más difundida la utilización del primer parámetro, debido a la mayor sencillez del instrumento necesario: el megóhmetro. La posterior impregnación se lleva a cabo por diversos métodos: por chorreo, inmersión o, el mejor, al vacío en autoclave. Si bien los objetivos de la impregnación de un motor eléctrico son diversos: - dieléctrico, lo que es obvio para nosotros; - mecánico, al pretender que no se tengan movimientos relativos entre los conductores; - térmico, buscando la mejor conducción térmica para evacuar las pérdidas de la máquina,

8 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 8 de 9 la tangente delta es el parámetro que se utiliza para evaluar su calidad, atendiendo a los valores esperados por el fabricante de las resinas. En las unidades de BT acostumbramos a utilizar los resultados de la tangente delta para evaluar su estado junto a otras determinaciones. Tener los valores iniciales, entonces, es una herramienta valiosa para el diagnóstico. En el caso de aislamientos para máquinas de media tensión (de V y superiores) se utilizan dos métodos de impregnación: i) El sistema rico en resina, que consiste en encapsular las partes rectas de las bobinas que han sido encintadas con un material pre-impregnado que se prensa en caliente para producir su polimerización. Este proceso se controla a través de la tangente delta que se logra al concluirlo, dando el químico proveedor del material dieléctrico algunas referencias de las temperaturas y tiempos necesarios, las que son ajustadas luego en función de las máquinas y elementos del proceso. Se dará por optimizada la polimerización cuando en las muestras logradas por combinaciones diversas de temperaturas y tiempo den como resultado la tangente delta menor y prácticamente la mínima que indica el fabricante de las cintas termoendurentes. Además, en este proceso se busca la expulsión de las oclusiones internas de aire arrastradas por el exceso de resina que drena al compactar la masa del encapsulado. Con ello se pretende tener luego la mínima cantidad de oclusiones que serán asiento de las descargas parciales explicadas. Estos dos objetivos: un correcto proceso de polimerización y una casi nula cantidad de descargas parciales, se evalúan mediante la tangente delta inicial y sus incrementos al elevar la tensión de medición, tal como prescriben las Normas IEC 894 de 1987: Guide for a test procedure for the measurement of loss tangent of coils and bars for machine windings y la CEI 2-9 : Norme per le Prove di isolamento delle Barre e delle Matasse di Macchine de Esta modalidad de valorar la tangente delta en función de la tensión se llama tang tip-up. FIGURA 21

9 PÉRDIDAS EN LOS DIELECTRICOS - 3º Parte Página 9 de 9 En la Figura 21 se indican los valores máximos del 3 % para la tangente delta medida a 0.2 de Vn, donde se presume no tener actividad de descargas parciales, y los incrementos posteriores (tang 1, 2 ó 3) de 0.50 % que acotan su cantidad. Los límites mencionados para los tang se aceptan hasta tensiones nominales de 11 kv, habiéndose propuesto otros ligeramente mayores para las tensiones superiores. ii) Otro proceso, llamado VPI y que generalmente es automático, se lleva a cabo luego de un secado en horno del arrollamiento conformado con material dieléctrico sin resinas y ya ubicado en las ranuras, para proceder luego a una impregnación bajo vacío. Finalmente la polimerización se logra mediante el curado en horno. La obtención de unos valores reducidos de la tangente delta asegura un proceso correcto, tanto respecto a su sequedad inicial, como a la calidad de los materiales y la resina utilizados. Además, la completa polimerización de la resina, obtenida en el proceso mediante temperatura y tiempo, se demuestra con el logro de los valores inferiores que su fabricante nos informa. Para la valoración del resultado de proceso respecto a las oclusiones internas que han quedado se puede aplicar la medición de la tangente delta en función de la tensión de medición explicada en el punto anterior y que corresponde a la Figura 21, llevada sobre dos bobinas prototipos que se han conformado con iguales materiales y acompañando el proceso de impregnación de nuestra máquina. Es lo que menciona la Norma IEC 894 al respecto. FIGURA 22 A modo de referencia se muestran en la Figura 22 las posibles modificaciones de las tangentes delta para: el micafolio con brea generalmente utilizado en aislamientos de clase B (130ºC), el samica-folio con resina epoxi y el de un aislamiento actual de una máquina de clase F (155ºC). Las dos primeras curvas han sido tomadas del libro Técnicas de Alta Tensión, del Dr. Ing. A. Roth. La restante corresponde a los valores presentados por Siemens para su proceso Micalastic, llevado a cabo por impregnación VPI, y debe ser considerada como una mejor referencia para aislamientos de máquinas modernas. Luego de terminada la unidad de MT, en los ensayos de recepción, se acostumbra ahora a llevar a cabo otros que servirán de base para la comparación futura y así analizar el estado del aislamiento eléctrico en el campo. La medición de la tangente delta es uno de ellos, la que ahora puede estar influida por la actividad de ciertos materiales que buscan eliminar las descargas parciales superficiales. La Norma ANSI/EASA Standard AR : Recommended Practice for the Repair of Rotating Electrical Apparatus, relativa a estas máquinas, prescribe entre otras la medición de la tangente delta en su Sección 4 relativa a los Ensayos, aunque no fija valores límites o de referencia Florida, junio de 2002.