Aislamiento y dieléctrico
La prueba de factor de potencia y factor de disipación aplica un voltaje alterno al aislamiento y mide la parte de la corriente que se pierde como calor. Un aumento de esa pérdida revela humedad, contaminación o envejecimiento en transformadores, boquillas, interruptores, reactores y devanados de máquinas, a menudo antes de que una prueba de resistencia muestre algo.
La prueba de factor de potencia y factor de disipación del aislamiento aplica un voltaje alterno a un sistema aislante y mide qué parte de la corriente resultante está en fase con ese voltaje, que es la parte que se convierte en calor. Un aislamiento perfecto se comporta como un capacitor puro y casi no disipa energía. El aislamiento real disipa una cantidad pequeña, y la relación entre esa pérdida y la corriente reactiva de carga es el factor de disipación, también llamado tangente delta. El factor de potencia es la relación cercana entre la pérdida y la corriente aparente total, y para los valores pequeños de un aislamiento sano ambos son casi idénticos. La prueba se realiza con un analizador de aislamiento o un puente dedicado, normalmente a la frecuencia de línea o a una frecuencia seleccionable, y se usa en transformadores sumergidos en líquido y de tipo seco, reactores y reguladores de voltaje, interruptores de potencia y seccionadores, transformadores de instrumento, boquillas, devanados de máquinas rotatorias, ductos de barras y estructuras de barras exteriores, así como en muestras de líquido aislante. A diferencia de una lectura de resistencia con voltaje directo, mide la pérdida dieléctrica de todo el sistema aislante y responde a la humedad, la contaminación y el envejecimiento distribuidos en el material, lo que la convierte en una de las pruebas de campo más informativas para equipos de alto valor.
El aislamiento rara vez falla sin aviso. La humedad que entra a un transformador, el aceite oxidado o contaminado con partículas conductoras, una boquilla con capas capacitivas dañadas, un devanado cuyo barniz se ha envejecido o un aislador con conducción superficial elevan la pérdida dieléctrica mucho antes de la ruptura. Medir esa pérdida permite descubrir estas condiciones cuando todavía es posible programar una salida y una reparación, en lugar de sufrir una salida forzada después de una falla. El resultado protege la inversión de dos maneras. En la puesta en servicio confirma que el transporte, el almacenamiento y la instalación no dañaron el aislamiento y crea una línea base contra la cual se juzgará el equipo durante toda su vida. En operación, una serie de resultados del mismo equipo muestra un problema incipiente como una deriva lenta, aunque cada lectura por separado parezca razonable. Como detecta defectos distribuidos o en el volumen que una simple lectura de resistencia puede pasar por alto, muchas normas la incluyen como prueba opcional o complementaria en equipos importantes y la recomiendan donde el costo de una falla es alto.
El aislamiento puede modelarse como un capacitor con una resistencia en paralelo. Cuando se aplica voltaje alterno, el capacitor toma una corriente de carga que adelanta al voltaje un cuarto de ciclo, y la vía resistiva toma una pequeña corriente de pérdida que está en fase con él. El ángulo de pérdida es la pequeña diferencia por la cual la corriente total queda por debajo de un adelanto perfecto de un cuarto de ciclo. Su tangente es el factor de disipación, y el coseno del ángulo de fase entre el voltaje y la corriente total es el factor de potencia. El instrumento mide los vatios perdidos y los voltamperios suministrados y, en la misma pasada, lee la capacitancia, de modo que un cambio de geometría o una capa en cortocircuito también se hace visible. Todo lo que añade conducción o pérdida por polarización al aislamiento, como agua disuelta, contaminación iónica, carbón o descargas parciales, aumenta la corriente de pérdida sin alterar casi la corriente de carga, y por eso la relación sube. La pérdida crece con fuerza al aumentar la temperatura, por lo cual cada lectura se asocia con una temperatura medida y se corrige a una referencia. También depende del voltaje y la frecuencia de prueba, y la fuga superficial en una boquilla sucia o húmeda se suma a la pérdida, por lo que se limpian las superficies y se usa el circuito de guarda del instrumento para separar una vía aislante de otra.
El equipo se desenergiza, se aísla de toda fuente, se comprueba la ausencia de tensión y se pone a tierra según los procedimientos de bloqueo y permiso del propietario. Las barras, los cables, los pararrayos y otros aparatos conectados se retiran de los terminales, y las superficies de boquillas y aisladores se limpian y se secan. En un transformador o reactor, cada devanado se une en cortocircuito en sus terminales para que se comporte como un solo electrodo. Luego se conecta el analizador de modo que cada vía aislante se mida por separado: de un devanado a otro y de cada devanado a tierra. El modo de espécimen sin conexión a tierra pasa por el circuito de medición la corriente de la vía en prueba y desvía las demás a la guarda, mientras que el modo de espécimen a tierra mide todo hacia tierra; se emplea el modo que el equipo y el procedimiento indican. Las boquillas se prueban en su derivación de factor de potencia o de capacitancia cuando existe, y con el método de collar caliente cuando no la tienen. Los interruptores de potencia se prueban con los contactos cerrados y de nuevo a través de los polos abiertos, y en los de aceite se añade el índice de pérdida del tanque. El voltaje de prueba se aplica dentro de la capacidad del equipo y del instrumento, nunca por encima de lo que permite el fabricante. En una subestación o cerca de equipo energizado, la interferencia electrostática puede distorsionar la lectura, por lo que se recurre a la supresión de interferencia del instrumento, a la inversión del voltaje de prueba o a un cambio de frecuencia. Se anotan la temperatura del aceite superior o del devanado, la temperatura ambiente y la humedad, y la misma configuración se repite en pruebas posteriores.
El registro contiene el factor de potencia o el factor de disipación medido en cada vía aislante probada, la capacitancia medida y los vatios de pérdida correspondientes, el modo de prueba y el voltaje que se aplicó, y la temperatura del aislamiento o del aceite junto con el valor corregido a la temperatura de referencia. También anota el clima y la humedad relativa, el arreglo de conexiones empleado, el estado de las boquillas y de las superficies, si la unidad era sumergida en aceite, de tipo seco o aislada con gas, y la identidad y el estado de calibración del instrumento. Estos datos permiten a un lector posterior distinguir un cambio real del aislamiento de una diferencia en la forma de realizar la prueba, y hacen comparables los resultados de años distintos.
Ningún valor aislado decide si un aislamiento es aceptable, y esta página no ofrece ninguno. Los criterios publicados toman varias formas que se usan en conjunto. La primera es comparar el resultado corregido con el valor del fabricante o de fábrica y con la tabla para el tipo de equipo o de líquido; la guía aplicable se encuentra en ANSI/NETA ATS-2025 para las pruebas de aceptación y en ANSI/NETA MTS-2023 para las de mantenimiento. La segunda es corregir cada lectura a una temperatura de referencia, porque la pérdida aumenta con la temperatura y una lectura caliente no es comparable con una fría. La tercera es la comparación entre partes semejantes, como la misma posición de boquilla en las tres fases o unidades idénticas de una misma instalación, donde un valor atípico señala un problema localizado. La cuarta es la tendencia frente a resultados anteriores del mismo equipo, donde un aumento sostenido importa aunque las cifras permanezcan dentro de la guía publicada. La quinta es juzgar la capacitancia junto con la pérdida, ya que un cambio de capacitancia puede indicar capas en cortocircuito. Lo más sensato es leer los resultados junto con las lecturas de resistencia y las condiciones de la prueba. Para los valores y las tablas, consulte su propia copia con licencia de las normas mencionadas, que siguen siendo la autoridad para la aceptación.
Las pruebas de aceptación y de mantenimiento cumplen propósitos distintos. En la aceptación, la prueba establece la línea base del equipo nuevo o reparado, por lo que se hace con cuidado y en las mejores condiciones disponibles. En el mantenimiento, la pregunta útil es cómo ha cambiado el resultado desde la última vez, así que importan sobre todo las condiciones repetibles y un método uniforme. La clase de equipo cambia los detalles. En los transformadores sumergidos en líquido se miden por separado el aislamiento de los devanados, las boquillas y una muestra del líquido. En las unidades de tipo seco y los reactores se mide el aislamiento de los devanados a tierra y entre devanados. En interruptores de potencia y seccionadores se toman lecturas con los contactos cerrados y abiertos, y en los de aceite se añade el índice de pérdida del tanque. En las máquinas rotatorias se mide el devanado, a menudo con voltajes escalonados para ver cómo crece la pérdida, una verificación relacionada que se describe en la prueba de incremento del factor de potencia. En los transformadores de instrumento y los capacitores de acoplamiento se leen la capacitancia y la pérdida por sección de la pila. Muchas de estas mediciones son opcionales en las normas, de modo que dependen de una decisión del propietario y de la agencia de pruebas. Complementan los trabajos de resistencia de aislamiento y de prueba de tensión soportada, y no los sustituyen.
Las clases de equipo y las secciones de norma que exigen esta prueba, y los formularios de UltraDb que la incluyen.
Ambos describen la pérdida dieléctrica. El factor de disipación, o tangente delta, es la corriente de pérdida dividida entre la corriente de carga, mientras que el factor de potencia es la corriente de pérdida dividida entre la corriente total. Para los valores pequeños de un aislamiento sano son prácticamente el mismo número, y solo se separan cuando la pérdida se vuelve grande.
La pérdida dieléctrica cambia mucho con la temperatura, así que un devanado caliente y uno frío de la misma unidad sana dan lecturas distintas. Corregir a una temperatura de referencia común, con el método de la norma aplicable o los datos del fabricante, permite comparar resultados de días y estaciones diferentes.
Sí. Una lectura de resistencia está dominada por la fuga por la mejor vía, mientras que la medición de pérdida responde a la humedad, el envejecimiento y la contaminación distribuidos en el material. Por eso las dos pruebas se usan juntas, y un aumento de pérdida en una unidad con resistencia aceptable sigue siendo una advertencia.
Es una comparación de la pérdida medida con el interruptor abierto y cerrado, pensada para revelar pérdidas en el revestimiento del tanque, el líquido y las varillas de levante que una sola medición ocultaría. Su interpretación sigue la guía del fabricante y las normas publicadas para interruptores de aceite.
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