Medición del Nivel de Descargas Parciales

7/30/2019 Medicin del Nivel de Descargas Parciales

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www.isefonline.es

Instituto

Schneider Electric

de Formacin

Medicin del nivel de descargas parciales

PT-069


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Publicacin Tcnica Schneider Electric PT-069 / p. 2

La Biblioteca Tcnica constituye una coleccin de ttulos que recogen las novedades enautomatismos industriales y electrotcnica. Tienen origen en el Centro de Formacin para cubrir unamplio abanico de necesidades pedaggicas y estn destinados a Ingenieros y Tcnicos que precisenuna informacin especfica, que complemente la de los catlogos, guas de producto o noticiastcnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenmenos que se presentan en las instalaciones, lossistemas y equipos elctricos. Cada Publicacin Tcnica recopila conocimientos sobre un tema

concreto del campo de las redes elctricas, protecciones, control y mando y de los automatismosindustriales.

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La reproduccin total o parcial de esta Publicacin Tcnica est autorizada haciendo la mencin obligatoria:Reproduccin de la Publicacin Tcnica n 069: Medicin del nivel de descargas parcialesde Schneider Electric.


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PT-069

Robert Capella

Ingeniero Tcnico Elctrico con actividad simultnea en los mbitosindustrial y docente. Profesor de mquinas elctricas y de teora decircuitos para Ingenieros Tcnicos. Profesor de laboratorio paraIngenieros Industriales.

En el mbito industrial, se ha ocupado en etapas sucesivas de: hornos dearco, motores y accionamientos, transformadores y estaciones detransformacin, aparamenta de MT y AT y equipos blindados en SF-6,turboalternadores industriales, transformadores de medida y rels deproteccin. Con especial dedicacin al proyecto y construccin de cabinasprefabricadas de MT hasta 36 kV.

En la actualidad, colaborador en el laboratorio de Ingeniera Elctrica dela Escuela Superior de Ingeniera Elctrica de Barcelona y en el Centro deFormacin de Schneider Electric.

Medicin del nivelde descargas parciales

Publicacin Tcnica Schneider Electric PT 069. Edicin: noviembre 2000


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tg :Factor de prdidas dielctricas.

Descargas parciales DP:

Parte de la energa que se disipa en eldielctrico. La norma UNE-21313, deacuerdo con la CEI-270, establece lasreglas generales en lo que se refiere a lamedida de las descargas parciales.

Terminologa

Carga aparente q:La carga aparente q de una descargaparcial es la carga que, si se inyectarainstantneamente entre los bornes delobjeto a ensayar, cambiaramomentneamente la tensin entre losmencionados bornes, de la misma medidaque cuando se produce una descargaparcial. El valor absoluto q de la cargaaparente se llama habitualmente amplitudde la descarga. La carga aparente seexpresa pues en coulomb. Normalmente es

del orden de picocoulombs.


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Medicin del nivel de descargas parciales / p. 5

ndice

1 Medicin del nivel de descargas 1.1 Introduccin p. 6parciales

2 Mtodos para la valoracin del nivel 2.1 Mtodo elctrico p. 7

de descargas parciales 2.2 Consideraciones al mtodo elctrico p. 11

2.3 Mtodo no elctrico p. 1 1


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1.1 Introduccin

1 Medicin del nivel de descargas parciales

Desde hace tiempo, la evaluacin de lacalidad o estado de un aislamiento de altatensin se ha basado en la medicin de su

factor de prdidas dielctricas (tg ). Pero acausa de la aparicin de los aislantes dematerial sinttico con un factor de prdidasdielctricas muy bajo, la medicin del nivelde descargas parciales es un buencomplemento, incluso en determinadoscasos es una buena alternativa a la medicin

del factor de prdidas dielctricas (tg ).

La medicin del factor de prdidasdielctricas contina siendo til en lo que serefiere al control de calidad en la fabricacinde los materiales que se utilizan comomateria prima para el aislamiento de loselementos elctricos (aparatos, conductores,aisladores, componentes, etc.).

Con la medicin de las prdidas dielctricasse obtienen valores globales de la muestraque se ensaya. Por lo tanto es una medicin

de integracin.Para la evaluacin de la calidad o el estadode aislamiento de elementos ya fabricados(producto final) y/o en servicio, la medicinde las descargas parciales resulta msventajosa, porque hay ms posibilidades delocalizar defectos o anomalas en puntos ozonas concretas (defectos discretos). Por lotanto, permite poner en evidencia puntosdbiles que hayan aparecido despus de lafabricacin y/o defectos de montaje.

Al igual que la medicin del factor deprdidas dielctricas, la medida del nivel dedescargas parciales tiene como objetivo laestimacin de la vida til probable de loselementos y/o equipos de Alta Tensin enlo que se refiere a su aislamiento.

A pesar de que las tcnicas actuales demedicin de las descargas parciales noproporcionan parmetros cuantitativos de la

vida til esperada, aportan datoscualitativos muy tiles sobre el estado delos aislamientos, que permiten la deteccinprecoz de eventuales fallos o puntosdbiles. Ahora bien, para la evaluacin dela calidad o del estado de un aislamiento,tanto o ms importante que el valor medidoes su variacin en el tiempo, es decir, suevolucin temporal.

La comparacin del valor obtenido con lasanteriores mediciones en las mismascondiciones de ensayo, indican la tendencia

del aislamiento (estabilidad, empeoramiento,degradacin).

Para un adecuado control y/o vigilancia delestado de un aislamiento, es puesconveniente repetir la medicin del nivel dedescargas parciales, en intervalos detiempo, que en cada caso puedendeterminarse en funcin de los resultadosde la comparacin y/o anlisis de losvalores obtenidos.


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2 Mtodos para la valoracin del nivelde descargas parciales

La norma UNE-21313, de acuerdo con laCEI-270, establece las reglas generales enlo que se refiere a la medida de lasdescargas parciales (a partir de ahora DP).

Segn esta norma, hay dos sistemasgenerales para la deteccin y medida delas DP:

2.1 Mtodo elctrico

Cuando en una cavidad del dielctrico seproduce una DP, una cierta parte de laenerga que haba en la cavidad se disipaen forma de carga elctrica q. A esosefectos la cavidad puede considerarse uncondensador.

Como no es posible medir el valor de estacarga q que se ha puesto en juego con laDP, ha sido necesario definir un valor que

pueda medirse y que sea una imagen losuficientemente buena de la energadisipada por la DP en el seno del dielctrico.

Este valor se llama carga aparente q y seconsidera dimensionalmente como unacantidad de electricidad. La norma lo definede la forma siguiente:

La carga aparente q de una descargaparcial es la carga que, si se inyectarainstantneamente entre los bornes del objetoa ensayar, cambiara momentneamente latensin entre los mencionados bornes, en la

misma medida que cuando se produce unadescarga parcial. El valor absoluto q de lacarga aparente se llama habitualmenteamplitud de la descarga. La carga aparentese expresa pues en coulomb. Normalmentees del orden de picocoulombs.

La carga aparente as definida, no es igualal valor de la carga transferida efectivamentea travs de la cavidad en el interior deldielctrico donde se ha producido la DP perose utiliza por ser un valor observable en losbornes del objeto ensayado y que es funcin

del valor de la carga efectiva de la DP. Se

trata por consiguiente de un valor que esposible medir.

Los equipos de medida de descargasparciales, (figura 1), se componenbsicamente de:

n fuente o generador de la tensin alternaa aplicar al objeto que se ensaya.Habitualmente es un transformador desalida en Alta Tensin.

En lo que se refiere al ensayo, el objeto quese prueba se comporta como uncondensador Ct con una capacidad quedepender de entre qu puntos se le aplicala tensin.

n condensador Ck que se conecta enparalelo con el objeto que se ensaya. Setrata de un condensador de Alta Tensin,exento de descargas parciales. Sucapacidad ha de ser mayor que la delobjeto a ensayar. Se llama condensador deunin o de acoplamiento,

n impedancia de medida Zm conectadaen serie con el condensador de unin Cko bien en serie con el objeto a ensayar(condensador Ct),

n instrumento de medida; o equipo deinstrumentos de medida M, conectados alos bornes de la impedancia de medida quese comporta por lo tanto como un shuntde medida.

Lo que mide realmente el equipo deinstrumentos M son las corrientes

ocasionadas por las DP.

n el mtodo elctrico, que consiste enevaluar la llamada carga aparente oamplitud de la descarga, expresada encoulomb (normalmente en picocoulomb),

n el mtodo no elctrico que consiste en lacaptacin y evaluacin de las ondas depresin (bsicamente en el dominio de losultrasonidos) producidos por las DP.


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z

i~k i~t

i~t

i~k

Ck

A

Ct

B

i(t)

i(t)

i(t)

qUt

U Ut

t

t

t

Ck> Ct

i (t) pulsos de DP

i~k, i~t frecuencia y corrientes de lnea

Figura 1:Circuito de prueba para DP y grfica de corrientes de desplazamiento y de DP.

Se trata de impulsos de corriente (pulsos)que se superponen a la onda sinusoidal de

la corriente capacitiva que circula por elobjeto a analizar (condensador Ct)cuando se le aplica la tensin alterna deprueba. (Figura 2).

Estos impulsos de corriente debidos a lasDP tienen valores de cresta proporcionalesa los valores de q (carga aparente) y porlo tanto pueden calibrarse en picocoulombs.

Pueden visualizarse en la pantalla de unosciloscopio y de esta manera medir suamplitud, determinar su secuencia temporaly su correlacin con el valor de la tensin

alterna de prueba que se ha aplicado.

Normalmente, este osciloscopio, que formaparte del equipo de instrumentos de medida

M, visualiza los impulsos sobre una basede tiempo elptica (sincronizada con latensin alterna de ensayo).

Este equipo de instrumentos M puedemedir tambin:

n valor de la mayor de las descargas quese producen en un cierto intervalo detiempo, del orden de algunos periodos, enescala calibrada en pico coulombs,

n vedicin de la frecuencia de repeticin delas descargas (nmero de descargas por

unidad de tiempo), en funcin de la cargaaparente q,


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n valor medio I de la corriente de lasdescargas,

n valor medio cuadrtico D de lasdescargas,

n adicionalmente indicacin digital o

analgica del valor de la carga aparenteq que ha visualizado el osciloscopio.

Las perturbaciones o interferenciaselectromagnticas son un reto importanteen lo que se refiere a la medicin de lasDP, ya que pueden falsear en gran medidalos valores medidos. En las figuras 2 y 3,anexas se representan las fuentes tpicasde interferencias que afectan a los equiposde medida de DP.

La norma UNE-21313 clasifica lasinterferencias en:

a. Perturbaciones en principioindependientes de la tensin aplicada alobjeto a ensayar. Son bsicamente las deprocedencia exterior al equipo ensayado.

b. Perturbaciones ligadas a la fuente de la

tensin de prueba. Son bsicamente lasque tienen su origen en el propio equipo deensayo y generalmente crecen con elaumento de la tensin de ensayo.

Por lo tanto es preciso:

n detectar estas perturbaciones,distinguindolas de las DP, es decir, sinconfundir unas con las otras,

n determinar su valor equivalente a unaDP, o sea, medir el valor de la cargaaparente q que tendran si fueranrealmente DP,

instrumentosde medida

8Z

9

5

4

23

6

10

11

M

7

i~ki~t

prueba

objeto CtCk

1 y 11. Red de alimentacin

2. Divisor o regulador de Tensin

3. Fuente de Alta Tensin

4. Filtro de la fuente de Alta Tensin

5. Cables de interconexin y electrodos

6. Condensador de acoplamiento

7. Objetos metlicos varios cercanos al lugar

8. Interferencias de impulsos

9. Ondas electromagnticas de radiodifusin

10. Corrientes parsitas en el sistema de tierra

Fig. 2:Circuito de medida de DP con fuentes de interferencia tpicas.


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n eliminarlas totalmente o en la mayorparte posible, sin que esta eliminacinafecte a la medicin correcta de las DP.

Los sistemas y mtodos para eliminar estasperturbaciones son bsicamente:

n filtros pasa-banda (ancha o estrecha)intercalados en la conexin entre laimpedancia de medida Zm y el equipode instrumentos de medida M. Estosfiltros depuran la seal captada enbornes de Zm.

n impedancia de filtro Z colocada a lasalida de la fuente de alta tensin paraamortiguar las perturbaciones procedentesde esta fuente de alimentacin.

n filtro en la entrada de la tensin auxiliar alequipo de instrumentacin M para

amortiguar las perturbaciones y/o armnicosprocedentes de la red de baja tensin.

n antena para captar las interferencias deradiofrecuencia (RF) y mediante circuitos

Z

Ct

Ck

calibradorZm pC

Cc

i(t)

instrumento

de medida

Z

Ct

Ck

calibrador

Zm pCCc

i(t)

instrumento

de medida

a

b amplificador paso bandade banda ancha

o banda estrecha

lgicos determinar su naturaleza yeliminarlas de los circuitos de medida,

n circuitos lgicos que segn la polaridadde los impulsos en el condensador deacoplamiento Ck y en el objeto a probar

(condensador Ca) determinan si son DP(polaridad diferente) o si son perturbaciones(misma polaridad).

Cuando se trata de DP de valorespequeos los recursos explicados paraeliminar las perturbaciones e interferenciaspueden resultar insuficientes. En estoscasos el ensayo se realiza dentro de unrecinto blindado a manera de jaula deFaraday con todas las masas conductorasconectadas a tierra. Eso adems de losotros recursos nombrados, en especial el

filtro Z amortiguador de lasperturbaciones provenientes de la fuente dealimentacin de alta tensin.

Fig. 3:Clasificacin de las interferencias.


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2.2 Consideraciones al mtodo elctrico

2.2.1.- Valores mximos

Las normas correspondientes a ciertoselementos y/o aparatos elctricos de media

y alta tensin como cables, transformadoresde medida y de potencia, equipos demaniobra, etc., indican valores mximosadmisibles del nivel DP expresados enpicocoulomb de carga aparente q. As porejemplo, para transformadores de medida50 pC, para transformadores de potencia deaislamiento seco (resina) tambin50 pC, etc.

Para atravesadores SF6/aire y paraatravesadores AT de transformadores seacostumbra a indicar el orden de 3 pC como

valor admisible.

Los valores indicados en pC se entiendenpara una tensin aplicada igual a lanominal del objeto a probar.

2.2.2.- Medidas

Se ha dicho antes que para el adecuadocontrol del estado de un aislamiento, esconveniente repetir la medida de las DP enintervalos de tiempo a fin de comparar losvalores obtenidos con los de medidas

anteriores, por ejemplo la medicin hechaen la fbrica al finalizar la construccin, yantes de la entrega.

Esto quiere decir que las posterioresmedidas de DP se harn cuando aquelelemento o aparato est instalado y enservicio. En muchas ocasiones se tratarade hacer una medida en el lugar de lainstalacin (medida in situ). Ahora bienen la prctica, en muchos casos esta

medida in situ es difcil o imposible derealizar.

En efecto, requiere que el objeto a probar

(transformador de potencia o de medida,aparato de maniobra, cable, etc.) est fuerade servicio y adems desconectado delresto de la instalacin. Esto es cada vezms difcil debido a la creciente exigenciarespecto a la continuidad del servicio. Ladesconexin y posterior reconexin puedeser en ocasiones especialmente laboriosa.

En muchos casos se presentan problemasde espacio para colocar el equipo demedida en el lugar donde est instalado elobjeto a probar, sea por las dimensiones

del condensador de acoplamiento Ck y/ode la fuente de tensin o bien por lasdistancias elctricas necesarias a las otraspartes de la instalacin, ya que se trata deun ensayo en alta tensin.

El ensayo en la fbrica o un laboratorio sepuede hacer dentro de un recinto blindado,que permite obtener resultados msprecisos.

En las medidas in situ, las interferenciasde diversas procedencias, disminuyen laprecisin de la medida y pueden llegar ahacerla poco comparable con la hechadentro de un recinto blindado.

Para solventar estas dificultades, se hadesarrollado el procedimiento de evaluacindel nivel de DP llamado procedimiento noelctrico, que la indicada normaUNE-21313 (CEI-270) contempla en lospuntos 2.4 y 3.4.1, y que se describe acontinuacin.

2.3 Mtodo no elctrico

Tambin llamado mtodo acstico parael que se aplicar.

Una descarga parcial (DP) se caracterizapor una liberacin muy brusca de energa(pulsacin) que se desplaza por el medio,en forma de una onda de presin. Elespectro de frecuencias de esta onda, vadesde la frecuencia audible hasta algunosMHz (ultrasonidos).

Al propagarse por el medio, esta onda tieneuna atenuacin que depende de lanaturaleza del medio y de la frecuencia.

Si el medio donde se ha producido la DP esal aire (caso de efecto corona en lneas) lasfrecuencias audibles se propagan mejor (seatenan menos) que las frecuenciassuperiores.


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Si el medio donde se ha producido la DP esun slido, un lquido o una combinacin delos dos, las frecuencias superiores seatenan menos (se propagan mejor) que lasfrecuencias ms bajas.

En el caso concreto de los transformadoresen bao de aceite (conjunto o combinacinde medio slido y medio lquido) los datosobtenidos del estudio del proceso de la DPapuntan a una acumulacin de energa enla banda de frecuencia centrada en los150 kHz.

El mtodo consiste en captar estas ondas yevaluar su energa relativa que esproporcional a la energa de la DP que lasha originado.

Tal como pasa con el concepto de carga

aparente, la energa relativa no es igual a laenerga realmente liberada por la DP peroal serle proporcional, es utilizable paramedir el nivel de DP. Esta energa relativase expresa en valor adimensional, o sea, noreferido a ninguna unidad de la fsica. Setrata, de medidas arbitrarias enterasllamadas pulsos (o counts en ingls).

Los equipos, basados en este mtodo, porla medida de la DP en transformadores enbao de aceite se componen de:

n un sensor ultrasnico (transductor

piezoelctrico) que se adosa a las paredesdel transformador y capta la onda generadapor la DP. Este sensor acostumbra a estardiseado para un paso de banda estrechocentrado en los 150 kHz. Es del tiporesonante a esta frecuencia, de forma quesu sensibilidad es mxima en la banda delos 150 kHz,

n aparato o monitor electrnico digital, elcual est conectado al sensorpiezoelctrico. Amplifica la seal captadapor el sensor, la procesa y computa su

energa relativa. Es el instrumento demedida (digital o analgico). El aparato tieneun selector de niveles de amplificacin de laseal, expresados en dB,

n osciloscopio conectado a este aparatoelectrnico para visualizar en su pantallala seal analgica captada, una vezamplificada.

Los equipos actuales tienen todava otrasprestaciones como:

n memorizacin de las lecturas efectuadas,

n autocalibracin para asegurar larepetibilidad de las medidas hechas, a losefectos de la correcta comparacin conmedidas anteriores o futuras,

n salida para transmisin de los datos yvalores medidos, a un ordenador PCcompatible.

Son equipos porttiles, no muy grandes,concebidos para hacer medidas in situ.

En este mtodo de medida se presentatambin el problema de las perturbaciones(interferencias). El sensor piezoelctrico,adems de la onda ultrasnica generadapor la DP capta tambin otras ondas defrecuencia, distintas a la DP quedistorsionan la medida. En el apartado 2.1 y

figura 1, anexa, se han especificado lasposibles procedencias de lasperturbaciones, bastante frecuentes en lasinstalaciones de alta tensin. Se les llamaruidos o ruidos de fondo.

Con el fin de discriminar y minimizar estosruidos ajenos a la onda de DP, el equipofiltra todas las frecuencias exteriores a labanda de los 150 kHz. De esta manera,aunque no eliminan totalmente los ruidos,la relacin de amplitudes seal DP/ruidoes mucho ms elevada, ya que segn lo

indicado, el sensor piezoelctrico tiene sumxima sensibilidad en la citada banda defrecuencia.

Tambin ayuda a discriminar en lososcilogramas, la seal correspondiente a laDP de las correspondientes a los ruidos,el hecho de que las descargas parciales sonperidicas. Con la tensin de 50 Hzpresentan mximos cada 10 ms o sea, acada mximo, positivo o negativo, de latensin. Las seales correspondientes a losruidos acostumbran a ser ms desordenadas

o aleatorias.

Como ejemplo se anexan algunososcilogramas de DP obtenidos con estemtodo de medida. (Figura 4).

En los n 1 a 5 se observa esta periodicidadde las DP. Corresponden al caso de la DPrelativamente importantes.

Los n 7 a 9 corresponden al caso de DPpoco importantes o casi inexistentes.Situaciones intermedias corresponden a loscasos 6 y 10.


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Fig. 4:Oscilogramas.

n 1 n 2

n 3 n 4

n 5 n 6


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Fig. 4:Oscilogramas (continuacin).

n 7 n 8

n 9 n 10

Hay que tener en cuenta que la energadetectada por el captador depende de lossiguientes factores:

n para una DP de intensidad determinada,la amplitud de la onda que llega al captadores funcin del camino de la descarga y dela atenuacin de la onda hasta llegar al

sensor, el cual a la vez depende del mediode propagacin y de la distancia entre ellugar de la DP y el sensor,

n duracin de la seal. La energa no soloes funcin de la intensidad de la seal sinotambin del tiempo de duracin,

n frecuencia de aparicin de la seal.Mayor frecuencia significa mayor energa,

n nivel de amplificacin (dB) de la seal.

De todo esto se desprende, que los valoresmedidos de la energa relativa no pueden

ser considerados en un sentido absoluto.

Ahora bien por comparacin con valores dereferencia (por ejemplo otrostransformadores medidos) pueden revelarun orden o nivel de gravedad.

En este mtodo, y ms que en el basadoen la medida de la carga aparente q, loms importante es la comparacin de los

valores obtenidos con las anterioresmedidas o sea, la evolucin temporal otendencia.

Lgicamente, las sucesivas medidas, paraque sean comparativas se han de hacer enlas mismas condiciones de:

n situacin del sensor piezoelctrico en eltransformador,

n tensin y frecuencia de alimentacin deltransformador,

n nivel de amplificacin de la seal.


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En relacin a la posibilidad de estableceruna correlacin entre los valores obtenidoscon el mtodo de medida de la cargaaparente q en pC, y el de medida de laenerga relativa en pulsos o counts,hace falta decir lo siguiente, refirindonos

concretamente a los transformadores enbao de aceite.

La medida pC se hace en la fbricaconstructora o en un laboratorio, antes de laentrega al comprador, y sirve paracomprobar que el valor obtenido nosobrepasa el mximo admisible indicado porla norma, o bien acordado previamente conel comprador. Desde este punto de vista, elvalor en pC es definitorio en s mismo,aunque no se hagan posteriores medidas.

En otro aspecto, el valor medido en pC, esun valor global de las DP de todo eltransformador o bien de las de cada fase,si la medicin se hace fase por fase. En laprctica, no es factible mejorar ladiscriminacin.

La medida en pulsos de energa relativapara el sensor piezoelctrico, se realiza enel lugar de la instalacin cuando eltransformador ya lleva un cierto tiempo enservicio, y de manera peridica, por ejemploincluida en el programa de mantenimiento

preventivo o predictivo.En otro aspecto, los valores medidoscorresponden a puntos concretos deltransformador, segn donde se coloca elcaptador piezoelctrico. Esto que segn seexplicar ms adelante, es una de lasgrandes ventajas de este mtodo, hace encambio inviable establecer una correlacincon los valores medidos en pC.

Segn ya se ha indicado antes, la medidaen pulsos de energa relativa tiene comoobjetivo primero el seguimiento de la

tendencia o evolucin temporal del estadode los aislamientos en lo que concierne alas DP, a base de medidas en intervalos detiempo.

2.3.1.- Consideraciones al mtodo noelctricoEste mtodo de medida no elctrico de lasDP en pulsos de energa relativa presentados importantes ventajas:

n posibilidad de medida en el lugar de lainstalacin y con el transformador enservicio. Aspecto ya explicado,

n posibilidad de localizar la zona o zonasdel transformador donde se producen lasDP. Esta ventaja est implcitamenteindicada en la ya nombrada norma

UNE-21313 (apartado 3.4.1).Se va colocando el captador en diferentespuntos de las paredes y del fondo deltransformador y se van haciendo medidas,con el mismo nivel de amplificacin dela seal.

La misma comparacin entre los valoresobtenidos en los diversos puntos puede darya una primera indicacin (pista), puedeaparecer un valor significativamenteelevado, etc.

Para realizar una exploracin sistemticase recomienda ir colocando el captador enpuntos de las paredes del transformador enintervalos de 1,5 m aproximadamente.Tambin colocarlo en el fondo de la cuba.

Si se trata de un transformador grande estamedida sistemtica puede resultar lasprimeras veces laboriosa, para medidassucesivas es posible simplificar la medidaeliminando los puntos de valores bajos yconcentrndose los puntos de valores altos,

n la experiencia de cada caso determina la

poltica a seguir.

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