Nota técnica | Incorporación de la medición de descargas parciales online como herramienta de diagnóstico

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Por: Ing. Ricardo Casas, Ing. Cristian Bonini e Ing. Marcos Maillot, de UTN-CIDIEE;
e Ing. Luciano Enciso, Tco. Mauro Galliani e Ing. Osvaldo Rivera, de EDENOR

Palabras Clave:
Descargas parciales | Patrones | Online | Diagnóstico

1 | Introducción

El presente trabajo tiene como objeto transmitir la experiencia y el conocimiento adquirido en el proceso de incorporación de la técnica de medición de descargas parciales como herramienta de diagnóstico. Los resultados obtenidos han permitido comprender el fenómeno desde un punto de vista técnico sustentado por fundamentos teórico. Se presenta al final del documento una sección destinada a las discusiones y conclusiones alcanzadas en esta primera etapa.

Imagen 1 | Pulso típico registrado durante los ensayos (arriba) con su respectivo espectro (abajo).

2 | Breve teoría sobre descargas parciales

Una descarga parcial (DP) es un fenómeno de ruptura dieléctrica, se caracteriza por ser un pulso de corriente de alta frecuencia no estacionario, cuya atenuación completa es aproximadamente del orden de un microsegundo (imagen 1) [1]. Este se produce en el seno de un material aislante como consecuencia de la anisotropía del mismo (presencia de impurezas y/u oclusiones internas) a niveles micro y macromolecular.

En presencia de un campo eléctrico, las irregularidades presentes en el aislante distorsionan el campo, dando lugar a un elevado gradiente de potencial local, el cual si supera el valor de rigidez dieléctrica del medio que contiene la oclusión se produce la ocurrencia del fenómeno.


Imagen 2 | Patrón de DP del tipo interno. En el mismo se representan 5000 fenómenos registrados. Se observa con mayor actividad en el 1er y 3er cuadrante.

3 | Medición de DP

El monitoreo y la detección de estos fenómenos es de gran importancia para el mantenimiento preventivo y predictivo de máquinas y equipos eléctricos de potencia [2]. Es menester detectar precozmente estos eventos dado que una vez iniciado el proceso de descargas, comienza a deteriorarse el medio aislante; su evolución es progresiva y altamente nociva para el material dieléctrico.
La medición de DP proporciona información acerca de la ocurrencia de fallas locales dentro de un sistema aislante, esta es la diferencia radical que existe respecto de otros ensayos tales como medición de tangente delta, índice de polarización, etc. los cuales brindan una información global del medio.
La tendencia actual del diagnóstico de falla por medición de DP en campo, se basa en la interpretación de patrones obtenidos de la medición. El patrón es la representación sobre un sistema de ejes cartesianos de la amplitud de un conjunto de DPs en ordenada, versus la fase correspondiente a cada fenómeno registrado, en abscisa. Para la ubicación en fase, el equipo adquisidor cuenta con un canal de sincronismo el cual deberá estar en fase con la tensión de ensayo o de servicio en caso de mediciones online.
La forma y el comportamiento de estos patrones, proporcionan información acerca del tipo de falla; pudiendo ser estas de carácter internas, superficiales o corona [3].
A modo de ejemplo, se puede observar en la imagen 2 la forma que presenta el patrón de un defecto de tipo interno. Estos se caracterizan por presentar mayor cantidad de fenómenos en el primer y tercer cuadrante (la densidad de fenómenos está indicada por los diferentes colores que presenta el patrón: negro, rojo, naranja y amarillo conforme aumenta la densidad) [4].

Imagen 3. a) Patrón completo | b) Mapa tiempo frecuencia equivalente | c) Separación de fenómenos solapados (corona a izquierda e interna a derecha)

En muchos casos, en un mismo patrón coexisten fenómenos solapados provenientes de diferentes fuentes o ruido de distintas clases, dificultando de este modo la tarea de identificación de fenómenos al operador del equipo. Para estos casos, mediante un tratamiento matemático [5] aplicado a cada pulso de DP registrado, es posible obtener una transformación del patrón en un diagrama de tiempo-frecuencia equivalente, en el cual se pone de manifiesto las diferencias subyacentes no observadas en el patrón, pudiendo de este modo separar los fenómenos para luego obtener nuevamente los patrones de cada clase así formada.
A modo de ejemplo se presenta la imagen 3 en la cual se observa un patrón con dos fenómenos solapados proveniente de diferentes fuentes y cómo es posible diferenciarlos y separarlos a partir del mapa tiempo frecuencia equivalente.

4 | Experiencia en laboratorio sobre transformador de corriente de 33 KV

Con el fin de adquirir experiencia en la medición de DP y en el reconocimiento de patrones característicos se llevaron a cabo mediciones en laboratorio bajo condiciones controladas sobre transformadores de corriente (TI) de 33 KV retirados de servicio por presentar niveles elevados de tangente delta (7% en promedio).
Se ensayaron 2 TI (n° 4271 y 4272) a distintos niveles de tensión, a distintas temperaturas e introduciendo modificaciones en su sistema aislante.
El equipamiento empleado fue el siguiente:

  • TI 33 KV: HAMELIN-TAVAREZ 400/5 A aislación papel-aceite.
  • Fuente: Baur Prüfgenerator PGK 36 KV.
  • Equipo medición DP: PD CHECK portátil.
  • Captores DP: HFCT de núcleo partido.
  • Inyector de corriente: Howest DM 2000.
  • Capacitor acoplamiento: 450 pF.

Imagen 4 | Layout de medición empleado

Debido a que la experiencia fue llevada a cabo en el predio de una subestación de AT, se elaboró una jaula de Faraday para eliminar el ruido electromagnético presente en la sala de ensayos y obtener mediciones con bajo nivel de ruido. Asimismo, para eliminar el efecto corona que se manifestaba al elevar la tensión por encima de 15 KV, se conectó la fuente con el TI bajo ensayo empleando un caño corrugado metálico de 4”. El layout de medición es el que se muestra a continuación:

Verificación ausencia de DP
Los primeros ensayos se centraron en la búsqueda de actividad de DP sobre los equipos en el estado en el que fueron recibidos.
Estos fueron ensayados aplicando incrementos de tensión escalonados hasta tensiones de 1.9 Un (36 KV) durante un tiempo prolongado (1 hora) y con los equipos a temperatura ambiente o previamente calentados con el inyector de corriente sin encontrar actividad de DP para niveles de 5 mV de trigger.

Modificaciones en el sistema aislante
Para producir actividad de DP se procedió a modificar la aislación de los equipos ensayados. En el 4271 se colocó una lámina metálica de 0.3 mm de espesor conectada a potencial a tierra. La placa de 100 mm de alto se colocó de manera que envuelva las barras conductoras del primario del TI en la zona próxima a los núcleos magnéticos, donde las barras se bifurcan para envolver los toroides. La chapa fue conectada a potencial de tierra a la cuba del TI.

   

Esta modificación buscó generar en el equipo 4271 descargas parciales del tipo superficial (sobre la superficie del papel aislante aledaña a la lámina instalada) y del tipo interna (en las sucesivas capas de papel aislante debajo de la lámina instalada).
En el equipo 4272 se colocó un alambre conectando a la cuba del TI en un extremo y en el otro extremo fue hincado aproximadamente 1 milímetro de profundidad en el papel impregnado a la altura de la bifurcación de las barras del primario.

Esta modificación buscó generar descargas parciales del tipo internas de gran amplitud, concentradas en el punto de máximo gradiente de potencial producido por el efecto punta del alambre instalado.

Ensayos con modificaciones introducidas
Imagen 7| Patrón 4271 con modificación introducida. U=15 KV, trigger 30 mV (arriba) U=36 KV, trigger 49 mV (abajo). | Imagen 8| Patrón 4272 con modificación introducida. U=17 KV, trigger 200 mV (arriba) U=20 KV, trigger 200 mV (abajo). | Imagen 9 | Patrón 4271 modificación retirada U=20 KV, trigger 20 mV (arriba). Patrón 4272 modificación retirada U=30 KV, trigger 30 mV (abajo).

Se ensayaron nuevamente los equipos a distintos niveles de tensión, encontrando actividad de DP del tipo interna y superficial para el equipo 4271 a partir de 15 KV (0.78Un) y con 30 mV de trigger, cuya magnitud se incrementó conforme se elevó el nivel de tensión:

Se observa en los patrones de la imagen 7 como la amplitud y número de descargas aumenta acompañando el incremento de la tensión aplicada así como también se observa el adelanto del patrón al paso por cero de la tensión (desplazamiento del patrón hacia la izquierda) característico de fenómenos internos.
Para el TI 4272, la actividad de DP del tipo interna se manifestó alcanzados los 17 KV (0.89 Un) con 200 mV de trigger, incrementando en número de fenómenos conforme se elevó la tensión aplicada:

En los patrones mostrados en la imagen 8 se observan debido al incremento de la tensión aplicada una mayor cantidad de DP concentradas en la zona de menor amplitud así como también el adelanto del patrón al paso por cero de la tensión.

Ensayos con modificaciones retiradas
A fin de analizar si las modificaciones introducidas causaron daños de carácter irreversible en sendos sistemas aislantes, estas fueron retiradas y se procedió a repetir los ensayos bajo el criterio adoptado
Los patrones encontrados se muestran a continuación:

Se observa para el 4271 fenómenos superficiales y/o internos que se activan a 20 KV (1.05Un). Esto señala que, si bien en condiciones nominales el equipo no tendría actividad de DP, en caso de producirse alguna sobretensión que alcance los 20 KV se encenderán fenómenos de DP debido al daño realizado.
Para el caso del 4272, se observan fenómenos del tipo interno a niveles de tensión de 30 KV (1.57Un), motivo por el cual se puede concluir que el daño producido sobre este equipo es de menor riesgo al del 4271 ya que es necesario una mayor sobretensión para activarlos.
El daño producido por la modificación realizada desató un mecanismo de deterioro el cual no se detuvo al retirar dicha modificación. Dicho proceso se activará nuevamente cuando las condiciones de activación del mismo se cumplan, generando daño sobre el papel aislante del equipo. Si las condiciones de activación se satisfacen para valores de tensión inferiores al valor nominal, el proceso de deterioro estará presente siempre que el equipo esté bajo tensión.

Experiencia online

Los primeros pasos en la implementación de la técnica online fueron realizados sobre 40 equipos de la empresa y actualmente se sigue desarrollando.
Para realizar las mediciones, no fue necesario retirar de servicio el equipo objeto de la medición para montar los sensores. Los posibles pulsos de descargas parciales fueron registrados empleando pinzas de corriente de alta frecuencia de núcleo partido (HFCT) montadas sobre las referencias a tierra de los equipos (imagen 10).

La excepción fue el caso de los bushing de transformadores, donde se montó un adaptador especial que permite captar actividad de DP a través del TAP de medición de tangente delta; el cual requirió retirar la máquina de servicio y coordinar esta tarea con otras tareas de mantenimiento programadas sobre la misma máquina (imagen 11).

   

En todos los casos estudiados no se encontró evidencia objetiva de la existencia de fenómenos de DP de tipo interna o superficial al momento de la medición.
En las mediciones online, el procedimiento empleado consistió en la búsqueda de patrones característicos de DP partiendo de un nivel de trigger elevado (100 o 200 mV) el cual se fue reduciendo conforme se analizaban los patrones emergentes para cada nivel registrado, aplicando las herramientas de filtrado de ruido necesarias.
Dadas las características del fenómeno, la implementación online de las mediciones trajo aparejado un conjunto de dificultades que pasaremos a comentar a continuación:

Ruido electromagnético de distintas fuentes:
En las mediciones realizadas se encontró la presencia de ruidos electromagnéticos de distintas fuentes que interferían con la medición saturando el buffer de memoria del adquiridor, imposibilitando de este modo la capacidad de registrar algún patrón característico de DP. Para cada caso fue necesario analizar la naturaleza de dicho ruido y determinar la mejor herramienta para mitigarlo, ya sea aplicando la transformación de clasificación con la que cuenta el equipo de medición empleado o colocando filtros analógicos.
En aquellos casos que las herramientas de filtrado fueron eficaces, se logró reducir el valor del trigger a niveles de 5 mV.

Múltiples conexiones a tierra o estructura soporte metálica de los equipos:
En aquellos equipos que tenían múltiples conexiones a tierra o su estructura soporte es metálica y no se encontraban aislados de esta, no se realizaron mediciones debido a que los múltiples caminos que puedan tomar las DP atenúan su amplitud. A esta conclusión se arribó luego de observar la atenuación que sufre un pulso de DP si es registrado con el sensor montado próximo al equipo (en el tope de la estructura soporte) o distante de él (a nivel del terreno). Ver imagen 12.

Acoplamiento entre fases y ruido proveniente de otros equipos

Imagen 13 | Patrón en fase R con pulsos corona provenientes de las fases vecinas.

En varias mediciones se ha encontrado una gran dificultad al momento de determinar si cierta nube de puntos pertenecientes a un patrón correspondía a pulsos provenientes de un mismo equipo, o si eran provenientes de equipos próximos montados en la misma fase o acoplamientos de equipos montados en fases vecinas. La salida encontrada a tales cuestionamientos se basó en el planteamiento de hipótesis que estudian el desfasaje entre mediciones de las 3 fases o, sobre una misma fase, en distintos equipos del campo bajo ensayo, las cuales en pocas ocasiones pudieron ser corroboradas debido a que el equipo de medición no ofrece herramientas útiles para el análisis de adquisiciones simultáneas trifásicas. Se cree que de contar con un equipo que cuente con tales herramientas, esta dificultad podrá ser salvada con mayor certeza y facilidad.
En la imagen 13 se observa un patrón adquirido en la fase R, donde aparecen efecto corona de la fase S (línea llena dorada, desfasada 120° del máximo de la fase R) y efecto corona de la fase T (línea punteada verde, desfasada 240° del máximo de la fase R).

Conclusiones y discusiones

Como bien se mencionó con antelación, la medición de DP otorga información relevante sobre un mecanismo de deterioro presente en un equipo de potencia. La necesidad de optimizar recursos y reducir las horas en las que un equipo pude estar fuera de servicio para ser ensayado ha priorizado en las empresas distribuidoras la implementación online de dicha medición.
En base a las experiencias de campo y laboratorio realizadas conjuntamente con los estudios teóricos llevados a cabo, han surgido ciertos temas de debate sobre los cuales se trabajaran en un futuro y se plantean brevemente a continuación:

Ancho de banda del sistema de medición
Para poder llevar a cabo mediciones online es necesario contar con bastas herramientas de procesamiento de señales que permitan filtrar el ruido electromagnético presente en las EETT; clasificar distintas fuentes de pulsos de DP e identificar el tipo de defecto. Tales objetivos se cumplen con mayor facilidad al trabajar con sistemas adquisidores que trabajen a una alta tasa de muestreo (por ejemplo 100 MHz) capturando y procesando la forma de onda del pulso.

Calibración de la medición
La calibración de la medición para obtener una relación proporcional entre la carga eléctrica transferida en la DP y la tensión en mV del pulso medido pierde validez en las mediciones online. La tarea de calibración requiere retirar de servicio el equipo, perdiendo de este modo las grandes ventajas que se obtienen con la medición online. Asimismo, el factor de calibración dependerá de los equipos que tenga conectados en la barra en la cual está montado el equipo.

Criterio para la determinación de equipos a ensayar
Para confeccionar un mapa de criticidad de equipos a ser ensayados, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

Importancia operativa del equipo en la red.

  • Sobretensiones internas o externas a las que está sometido el equipo.
  • Secuencia de maniobras de seccionadores sobre la barra del equipo.
  • Información sobre otros ensayos de rutina practicados.

Toma de decisión
La medición de DP debe ser un complemento de otros ensayos programados. Los resultados de las mediciones deberán ser correlacionados con los de rutina a fin de llevar a cabo una correcta toma de decisiones.
Sin embargo, la implementación de tal concepto nos puede llevar a la siguiente pregunta:
Detectar fenómenos de carácter interno en un bushing ¿Puede ser evidencia suficiente para retirar el equipo del servicio?
De la experiencia offline desarrollada se observó que una vez dañando el sistema aislante por mecanismo de DP, esta falla puede permanecer activa a tensión nominal ocasionando deterioros progresivos.
Como opción se puede elegir el monitoreo continuo de dicho equipo, pero el conocimiento actual no permite hacer inferencia acerca de la remanencia de vida útil del mismo.
A fin de clarificar esta incógnita se han programado experiencias offline en bushing de transformadores de potencia para evaluar en condiciones seguras la evolución de dicho mecanismo de deterioro sin poner en riesgo la instalación.

 

 

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