La prueba de Tangente Delta (tan δ), también conocida como Factor de Disipación (DF por sus siglas en inglés), es una medida fundamental de las pérdidas dieléctricas en el sistema de aislamiento de máquinas eléctricas de media tensión. Esta prueba no destructiva evalúa la condición integral del aislamiento entre el bobinado y la carcasa (masa), proporcionando información valiosa sobre el estado dieléctrico del equipo en operación o durante mantenimiento preventivo.
A diferencia de otras pruebas de aislamiento como la medición de resistencia de aislamiento (IR) o el Índice de Polarización (PI), la prueba de tangente delta es sensible a procesos de deterioro y contaminaciónHumedad, carbonización, envejecimiento químico que incrementan las pérdidas dieléctricas. Su importancia radica en que puede detectar defectos latentes que otros métodos podrían pasar por alto, permitiendo diagnósticos más precisos y oportunos.
El sistema de aislamiento de una máquina de media tensión puede modelarse como un arreglo capacitivoCapacitor de placas paralelas: bobinado y carcasa, donde un terminal corresponde al bobinado y el otro a la carcasa (tierra o masa). El dieléctrico de este «capacitor» lo constituye el sistema de aislamiento sólido, compuesto por:
- Barnices y resinas (cubierta del conductor)
- Aislantes base (papel, vidrio tipo tela)
- Aislantes flexibles (micas, films poliméricos)
- Cintas de aislamiento (mica, kapton, papel)
- Materiales de impregnación (resinas epoxi, poliéster)
Cuando el aislamiento se somete a una tensión de prueba, circula por éste una corriente muy pequeña (IT), la cual se representa con dos componentes principales:
Corriente Capacitiva (IC): Componente de desplazamiento que depende de la capacitancia del aislamiento y la velocidad de cambio de tensión (dV/dt). En corriente continua, decae exponencialmente a cero. En corriente alterna, permanece constante en el tiempo.
Corriente Resistiva (IR): Componente debido a la conductancia transversal del dieléctrico. Es la responsable fundamental de las pérdidas del dieléctrico. Permanece constante en el tiempo, tanto en CC como en CA, y su magnitud es indicativa del estado del aislamiento.
Al aplicar una tensión en corriente alterna (CA) al aislamiento, la corriente total que circula no está completamente en cuadratura (90°) respecto de la tensión, sino que forma un ángulo complementario denominado δ (delta). Este ángulo aparece precisamente por las pérdidas de polarización y conducción en el aislamiento. A frecuencia industrial (50 o 60 Hz), el parámetro definido como Factor de Disipación corresponde a tan δ.
Matemáticamente, el factor de disipación se expresa como:
$$\text{DF} = \tan \delta = \frac{1}{\omega RC}$$
Donde: ω = 2πf (frecuencia angular), R = resistencia del aislamiento, C = capacitancia
Nota importante: El factor de disipación no tiene unidadesEs una razón: corriente resistiva / corriente capacitiva, aunque frecuentemente se expresa en porcentaje (%) multiplicando por 100. La razón de usar la función tangente en lugar del coseno (factor de potencia) es que la tangente crece monótonamente con el ángulo, proporcionando una relación más directa con la condición deficiente del aislamiento.
Los equipos de prueba de tangente delta miden la tan δ utilizando puentes balanceados de ScheringCircuito puente AC de cuatro brazos: permite medición precisa de C, R y DF. Este método es altamente preciso y se utiliza extensamente en laboratorios y en terreno para evaluación de aislamiento.
Una característica fundamental de la prueba de tangente delta es que debe realizarse a distintos niveles de tensión, registrando el valor de tan δ para cada uno. Según el valor de la tensión línea-línea de la máquina (Vn), se sugiere realizar las pruebas desde 0.2 Vn hasta 1.0 Vn, con incrementos típicos de 0.2 Vn. Esta progresión permite establecer relaciones diagnósticas importantes.
Ventajas de las pruebas escalonadas:
- Caracterización completa del comportamiento dieléctrico del aislamiento
- Detección de cambios no lineales (indicativos de defectos localizados)
- Evaluación de la actividad de descargas parciales mediante el análisis Tip-up
- Mayor confiabilidad diagnóstica en comparación con medición a un solo nivel
El Tip-upVariación de tan δ entre dos escalones de tensión consecutivos es un parámetro adicional de diagnóstico que representa la variación de tan δ entre dos escalones de tensión consecutivos. Se calcula típicamente como:
El Tip-up es particularmente sensible a la actividad de descargas parcialesDescargas en cavidades o defectos del aislamiento, menores a la tensión disruptiva completa, que generan ionización local en el aislamiento. Conforme aumenta la tensión aplicada, estas descargas se incrementan, causando que tan δ crezca más rápidamente, lo que se refleja en un Tip-up elevado.
(Valor Recomendado)
(Buen Estado)
- Desconexión de la máquina: Desconectar el equipo de todas las fuentes de energía. Usar bloqueo de breaker si es posible.
- Descarga de energía residual: Realizar descargas a tierra del bobinado con resistencia de descarga (10kΩ) antes de comenzar.
- Conexión de cables de prueba: Conectar un cable de prueba al bobinado (neutro y fases en paralelo) y otro a tierra (carcasa).
- Verificación de continuidad: Verificar conexiones firmes y ausencia de resistencias de contacto elevadas (<1Ω para tierra).
- Cálculo de tensiones: Determinar Vn (tensión línea-línea nominal). Calcular escalones: 0.2 Vn, 0.4 Vn, 0.6 Vn, 0.8 Vn, 1.0 Vn.
- Aplicación inicial: Aplicar el primer escalón (0.2 Vn). Esperar estabilización (típicamente 1-2 minutos).
- Lectura de parámetros: Registrar tan δ y capacitancia (C) una vez alcanzada estabilidad.
- Incrementos sucesivos: Aumentar tensión en pasos de 0.2 Vn. Repetir lecturas en cada escalón.
- Desactivación gradual: Reducir tensión gradualmente (menos de 1 minuto) hasta cero.
- Descarga final: Descargar bobinado a tierra y mantener conexión a tierra mínimo 15 minutos.
Motor de 6.6 kV trifásico:
Vn = 6.6 kV
Escalones de prueba: 1.32 kV → 2.64 kV → 3.96 kV → 5.28 kV → 6.6 kV
Registrar tan δ en cada escalón para análisis Tip-up.
IEEE Std 1415-2023 Nueva 2023: Guía para pruebas de mantenimiento y análisis de fallas en máquinas de inducción. Define procedimientos, voltajes de prueba y criterios de aceptación para tan δ en máquinas rotativas.
IEC 60034-27-2:2023 Nueva 2023: Norma internacional sobre pruebas eléctricas de máquinas rotativas, Parte 2: Métodos de prueba de aislamiento. Incluye procedimientos detallados para medición de tan δ con puentes Schering y criterios de evaluación.
CIGRE 552:2013 : Guía de métodos para determinar la condición del bobinado del estator. Presenta técnicas diagnósticas incluyendo tan δ, analiza correlaciones con envejecimiento y contaminación, proporciona criterios de tendencia.
NETA ATS (2023) Actualizado 2023: Especificación técnica de NETA (Association of Electrical Testing Professionals) que define límites y procedimientos para pruebas de aislamiento en equipos de media tensión.
Los límites de aceptación para tan δ en máquinas de media tensión varían según el tipo de equipo, edad y normativa aplicable. La Tabla 1 resume parámetros recomendados según las normativas revisadas:
| Parámetro | Valor Recomendado | Condición |
|---|---|---|
| tan δ @ 0.2 Vn | 2 – 4 % | Aislamiento en buen estado |
| tan δ @ 0.2 Vn | 4 – 6 % | Aislamiento aceptable (requiere seguimiento) |
| tan δ @ 0.2 Vn | > 6 % | Aislamiento degradado (acción requerida) |
| Tip-up (Δ tan δ) | < 0.5 % | Ausencia significativa de descargas parciales |
| Tip-up (Δ tan δ) | 0.5 – 1.0 % | Actividad de DP incipiente (seguimiento) |
| Tip-up (Δ tan δ) | > 1.0 % | Actividad significativa de DP (reparación inminente) |
Análisis de Tendencia Obligatorio: No se debe evaluar un resultado de tan δ de manera aislada. El análisis de tendencia en el tiempo es fundamental para distinguir entre variaciones normales (temperatura, humedad) y degradación real del aislamiento. Se recomienda mantener históricos de mediciones previas para comparación.
Con la prueba de tan δ es posible detectar los siguientes procesos de deterioro y contaminación que incrementan las pérdidas dieléctricas:
- Contaminación del aislamiento: Suciedad, sal marina, polvo conductivo, depósitos químicos
- Humedad: Penetración de agua en el sistema de aislamiento
- Deterioro químico: Oxidación, hidrólisis de resinas, rotura de enlaces poliméricos
- Daño térmico: Sobrecalentamiento, envejecimiento acelerado
- Carbonización: Formación de trazas conductivas por descargas
El parámetro Tip-up presenta especial sensibilidad a:
- Inclusiones gaseosas: Burbujas de aire, gas en el aislamiento
- Descargas parciales (DP): Ionización en cavidades, estrés localizado
- Calidad de impregnación: Curado deficiente en sistemas de resina
- Delaminación: Separación de capas de aislamiento por estrés térmico
- Grietas y fisuras: Defectos físicos generados durante operación
Se evaluó un motor eléctrico de 255 HP, 6.6 kV, 8 polos, IP65/IC411 utilizado en una operación de trituración. Las pruebas de Resistencia de Aislamiento (IR) e Índice de Polarización (PI) alcanzaron valores adecuados. Sin embargo, la prueba de Descarga Dieléctrica mostró valores elevados. Los resultados de tan δ se presentan en la Figura 3.
Análisis: En los tres primeros escalones de tensión (0.2, 0.4, 0.6 Vn), el valor de tan δ estuvo por debajo del 3%, dentro del rango altamente recomendado. Sin embargo, el cuarto y quinto escalones (0.8, 1.0 Vn) presentaron un salto importante, sugiriendo que el sistema de aislamiento podría presentar:
- Deterioro avanzado por envejecimiento térmico
- Contaminación excesiva del aislamiento
- Actividad significativa de descargas parciales
Recomendación: Se programó una rutina completa de mantenimiento preventivo en el corto plazo. Posterior al desmontaje y limpieza del equipo, se volvió a realizar la prueba de tan δ, confirmando que la contaminación superficial era la causa primaria del comportamiento anómalo.
La prueba de Tangente Delta (tan δ) es una herramienta diagnóstica esencial para evaluar la integridad del sistema de aislamiento en máquinas eléctricas rotativas de media tensión. Su capacidad para detectar múltiples formas de deterioro y contaminación, combinada con el análisis del parámetro Tip-up para identificar descargas parciales, la convierte en un complemento invaluable a otras pruebas de aislamiento como IR y PI.
El éxito en la aplicación de esta prueba requiere: (1) comprensión profunda de los fundamentos teóricos, (2) aplicación rigurosa de los procedimientos según normativas actualizadas (IEEE 1415-2023, IEC 60034-27-2:2023Normativas más recientes disponibles (2023-2024)), (3) análisis crítico de tendencias históricas, y (4) correlación con resultados de otras pruebas diagnósticas.
La implementación sistemática de pruebas de tangente delta en programas de mantenimiento predictivo permite identificar problemas antes de que resulten en fallas catastróficas, optimizando así la disponibilidad y confiabilidad de sistemas críticos de potencia.