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ELECTROEROSIÓN COMO CONSECUENCIA
DE ASIMETRÍAS EN CONEXIONES ELÉCTRICAS: EXPERIENCIA ICE
Ing. Orlando De León Campos
Unidad de Pruebas Eléctricas Región Central
Instituto Costarricense de Electricidad
Noviembre 2008
INTRODUCCIÓN
La termografía infrarroja se ha convertido en una herramienta útil en el
monitoreo por condición de subestaciones. Sin embargo los casos ligados con
anomalías térmicas, que originaron salidas parciales de operación durante el
último año en el sistema eléctrico costarricense eran de difícil predicción. Los
análisis de las termografías realizados bajo los criterios de evaluación utilizados
por la institución, no fueron suficientes para evitar la ocurrencia de la falla.
En el presente trabajo se ofrece un análisis alternativo de lo ocurrido en el
último año para estas anomalías térmicas. Se relaciona el fenómeno de
electroerosión con las fallas antes descritas, para lo cual se muestra en que
condiciones puede originarse y las consecuencias que este conlleva.
El equipo infrarrojo utilizado para realizar las termografías es una cámara
PM595 de FLIR con certificado de calibración vigente realizada el 17 de
Octubre del 2007 bajo ITS-90, además cuenta con lente de 7 grados para
mayor precisión en las mediciones.
1. FUNDAMENTOS DE ELECTROEROSIÓN
La electroerosión es un procedimiento utilizado en la industria que, basándose
en el empleo de un arco eléctrico, reproduce la forma de un electrodo de
manera automática en una pieza determinada, esto se logra mediante la
aplicación de corriente eléctrica de característica punzante entre dos materiales
separadas por un medio dieléctrico, siendo este medio de suma importancia
para que la descarga sea controlada y dirigida de manera que los materiales no
se dañen y el objetivo del mecanizado se cumpla.
1.1 Formación del arco eléctrico
El arco eléctrico se formará entre dos materiales que, al estar separados por un
dieléctrico o aislante, sean sometidos una tensión que logre crear un campo
eléctrico que sea lo suficientemente fuerte para superar la rigidez dieléctrica del
material, bajo la acción de este campo eléctrico iones libres positivos y
electrones se encontraran acelerados, creando un canal de descarga que se
volverá conductor. En ambos extremos del arco se generan altas temperaturas
que producen la vaporización del material. Cuando la distancia en los
materiales se incrementa producto de la erosión creada por la temperatura el
arco desaparece y el proceso termina. Durante el proceso industrializado de
electroerosión se utilizan dieléctricos líquidos que facilitan el control del arco,
con la obtención de piezas mecanizadas de excelentes acabados.
1.2 Relación con conexiones eléctricas de alta tensión
Durante el proceso de electroerosión de manera industrializada, el factor
principal es el dieléctrico que se utiliza para controlar la descarga. Cuando se
genera un arco en un medio dieléctrico como el aire esta descarga se vuelve
incontrolable, esto provoca que la zona circundante se ionice fuertemente y la
descarga se propague en forma ramificada, solo se detiene cuando la
vaporización del material fue suficiente para ampliar la sección de aire entre los
materiales. Un ejemplo de esta situación se da cuando se opera un
seccionador que no trasiega potencia en sus contactos pero si tiene una
referencia de potencial en sus extremos, si este seccionador se abre y se lleva
uno de sus brazos a potencial cero, cuando la separación de los contactos es
pequeña se formará un arco entre ellos, sin embargo conforme se va
ampliando la separación el arco desaparecerá, en este caso el material no
sufrirá daño debido a que está diseñado para soportar el esfuerzo térmico
generado por el arco en el periodo de tiempo de operación.
Cuando se presenta una asimetría en las conexiones eléctricas de alta tensión,
como conectores con torques asimétricos, seccionadores mal ajustados,
conectores sobre compresionados, entre otros; se forman cavidades entre
puntos con potenciales elevados separados únicamente por el aire,
dependiendo de las condiciones de humedad y contaminación el aire tenderá a
ionizarse con mayor o menor facilidad, esta condición es la que provoca la
formación espontánea de arcos eléctricos y por consiguiente la vaporización y
la falla de los elementos en las conexiones eléctricas por fenómeno de
electroerosión.
1.3 Consecuencias de la electroerosión
La principal consecuencia de electroerosión en conexiones eléctricas es el
cambio morfológico del material. Al elevarse la temperatura durante el arco
eléctrico el material se vaporiza y se deforma, siendo su estado final
impredecible, generalmente la conexión eléctrica falla con la consiguiente
perdida en la continuidad del servicio eléctrico.
2. TRANSFORMACIÓN DE CIRCUITOS DE SERIE A PARALELO
Las conexiones eléctricas de alta tensión generalmente dependen de
elementos como tornillos, conectores de compresión entre otros; cuando uno
de estos elementos no recibe el tratamiento adecuado, se puede presentar un
fenómeno de transformación de circuito en serie a un circuito paralelo con un
componente, forzando a que se den esfuerzos inadecuados en este. Tomando
como ejemplo un conector para cable de aluminio de subestación, cuando se
aplica torque de manera asimétrica a cada uno de los tornillos que lo conforma,
produce que el tornillo que recibió un mayor torque forme un paralelo con el
conjunto placa-cable que presenta la conexión original, esto hace que el tornillo
empiece a ejercer una función para la cual no fue diseñado y se origine un
calentamiento por efecto Joule. En la figura 2.1 se presenta un termograma de
este caso, así como en la figura 2.2 la imagen visual, se puede notar que la
torsión aplicada en los tornillos que presentan calentamiento es ligeramente
mayor por la ubicación de la tuerca, entre mas profunda sea esta, mayor
torsión recibió el tornillo. Esto se comprobó en sitio cuando se reparó la
anomalía térmica.
Figura 2.1: Termograma de conector S.T. Poás
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 2.2: Imagen visual de conector en figura 2.1
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Un circuito como el expuesto anteriormente se podría modelar como se
muestra en la figura 2.3
Generalmente una conexión placa-cable adecuada tiene una resistencia
aproximada de 15 µΩ valor que se ve incrementado dependiendo del área de
contacto efectivo. Cuando el torque aplicado a los tornillos es asimétrico el
tornillo que recibe un torque superior tiene la posibilidad de convertirse en
conductor de corriente al introducir una resistencia en paralelo al circuito. En la
figura 2.4 se muestra el modelo de esta condición.
Esta resistencia en paralelo produce una división de corriente en el conector y
hace que se disipe calor en el tornillo como consecuencia de la potencia
eléctrica consumida por el mismo. A pesar de que estos tornillos no están
diseñados para esta función, lo peligroso no es el calentamiento en sí de este
elemento, el problema mas serio es la cavidad que se forma con el tornillo
opuesto que podría derivar en la formación de arco eléctrico y por consiguiente
provocar electroerosión en el material, siempre que se da una transformación
de circuito de serie a paralelo o viceversa se origina la posibilidad de que la
asimetría que produce el fenómeno derive en arco eléctrico.
Figura 2.3: Representación de circuito serie
Figura 2.4: Representación de transformación por efecto del tornillo
3. CONEXIONES PROPENSAS A FALLAS POR ASIMETRÍA
Las conexiones eléctricas de alta tensión que tengan más de una zona de
contacto, que dependa de elementos externos como torque y/o compresión son
propensas a ser asimétricas. Actualmente, las que se ven más afectadas son
las que están compuestas de tornillos, los torques deben ser aplicados de
manera adecuada o el funcionamiento se verá afectado.
Otras conexiones riesgosas se dan en los contactos principales de los
seccionadores que dependen de la presión y ajuste del mismo, así como
conectores dependientes de la compresión, aumentando el riesgo si son más
de una las que se deben realizar.
En la figura 3.1, 3.2 y 3.3 se muestran tipos de conexiones de alta tensión
Figura 3.1: Conexión dependiente de tornillos
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 3.2: Contacto principal de un seccionador dependiente de presión
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 3.3: Contacto principal de un seccionador dependiente de presión y
conector dependiente de los tornillos.
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
4. CASOS Las salidas del sistema eléctrico por consecuencia de la electroerosión, se
convirtieron en el último año en un elemento importante para tomarlo en
cuenta, ya que se contabilizan cuatro salidas por este efecto en el sistema
eléctrico costarricense. Por su característica instantánea de ocurrencia es difícil
realizar la detección en el momento en que el fenómeno se da, de igual forma
el tiempo que se tiene para actuar es muy limitado cuando se desarrolla el
problema, lo importante es atacar las causas que lo generan.
4.1. Conector en Bushing Transformador Reductor S.T. Belén 34.5 KV
En la figura 4.1 y 4.2 se muestra el conector dañado en el transformador
reductor, este ejemplifica claramente lo que se explicaba sobre cambio de
circuito serie a circuito paralelo. Los tornillos A y C presentan un torque mayor
que los tornillos B y D (figura 4.1 y 4.2) situación que se puede deducir de la
posición de las tuercas de los mismos, como consecuencia se puede observar
un mayor daño por efecto Joule en los tornillos A y C (figura 4.3) sin embargo la
falla se presenta en los tornillos B y D.
Figura 4.1: Conector dañado
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 4.2: Conector dañado
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 4.3: Efecto Joule en conector
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
¿Porque los tornillos que no fueron expuestos a un calentamiento constante
fueron los que originaron el daño en el conector?
El conector se daña por efecto de electroerosión en el material. Los tornillos
que recibieron mayor torque hicieron que el conector tendiera a separarse del
conductor en los tornillos B y D, lo cual formo una cavidad entre el conductor y
el conector, esto potencio la formación de un arco eléctrico y el daño posterior
por electroerosión del material. La opción de una fractura en el conector
durante la instalación o mantenimiento del mismo se descarta, ya que de ser
así se hubiese fracturado en la zona donde estaban los tornillos con un mayor
torque A y C.
En este caso era difícil determinar que este fenómeno sucedería, la posición
del bushing del transformador complicaba la toma de la imagen infrarroja del
conector (figura 4.4), sin embargo la temperatura no era crítica para solicitar un
mantenimiento inmediato, la asimetría en el torque de los tornillos (que no se
pudo determinar en el termograma) era síntoma de la formación de cavidades
entre el conector y el cable.
Figura 4.4: Termografía Conector Transformador de Belén
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
4.2. Contacto Principal Seccionador S.T. Garita 34.5 KV
Los contactos principales de un seccionador tienen dos factores principales en
su funcionamiento:
• Una zona de contacto efectiva adecuada, libre de contaminación.
• Presión del contacto distribuida simétricamente entre las placas del
contacto
Para esta falla, se combinaron dos elementos, uno de los extremos del
contacto se calentó por efecto Joule, debido a que el desajuste lo hacia llevar
mayor parte de la carga, al tener una zona de contacto superior. En la imagen
4.5 se muestra el termograma realizado a este seccionador, se puede notar
que el punto de calentamiento es en la parte inferior del contacto. Sin embargo
la parte dañada de este contacto principal se da en la parte superior del mismo,
cabe destacar que la falla se da en operación normal del equipo.
Figura 4.5: Termograma seccionador Garita 34.5 KV
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Esta situación se da por la cavidad que se forma en la conexión del contacto, la
asimetría en el ajuste del seccionador provoca la formación de arco eléctrico y
por consiguiente el fenómeno de electroerosión, lo que produce que el material
del contacto principal falle al vaporizarse. En este caso un circuito que debe ser
paralelo (conexión superior e inferior del contacto principal) se puede modelar
como un circuito serie (solo la parte inferior del contacto), sin embargo la
presencia de la parte superior del contacto queda funcionando como un
electrodo que aumenta la posibilidad de que ocurra este fenómeno.
Las termografías realizadas no reflejaban una temperatura peligrosa en el
contacto (Figura 4.5), pero sí una asimetría en la conexión, en este caso el
calentamiento en sí no era un problema, la consecuencia de asimetría si lo fue.
En las figuras 4.6 y 4.7 se muestran las consecuencias del arco eléctrico
ocurrido en el seccionador, resulta evidente que tal daño no puede ser
ocasionado con facilidad por el simple calentamiento del mismo.
Figura 4.6: Contacto principal dañado seccionador S.T. Garita
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 4.7: Contacto principal dañado seccionador S.T. Garita
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
4.3. Barra Colectora de Transformador Reductor #4 S.T. Sabanilla 34.5 KV
La falla ocurrida en la barra colectora del transformador reductor 4 de Sabanilla
se dio de manera atípica, simplemente el cable se partió y cayó a la capa de
piedra lo que provocó el disparo por diferencial del transformador. Este disparo
por su característica instantánea hace que el cable fallado no sufra efectos
electromecánicos por causas de un cortocircuito (figura 4.8), sin embargo el
extremo que quedo sujeto a la cadena de aisladores (figura 4.9 y 4.10) no tuvo
contacto con ningún punto que tuviera referencia de potencial 0. El remate de
esta barra con la cadena de aisladores se da mediante un conector de
compresión, el cual es una conexión muy insegura debido a las diversas
compresiones que esta requiere. Si estas no se realizan de manera adecuada
provoca que el cable pierda su forma original y que el trenzado se desfigure,
esto aumenta la posibilidad de la formación de descargas entre cada alambre
individual del cable. Otro tipo de descargas que se forman son entre el tubo del
conector y el cable, una conexión asimétrica se forma con facilidad en estos
casos.
En la figura 4.8, 4.9 y 4.10 se muestran los extremos del cable fallado, la falla
se dio durante una tarde lluviosa pero libre de descargas atmosféricas.
Figura 4.8: Extremo de la barra colectora
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 4.9: Extremo donde remata en conector tubular
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 4.10: Extremo donde remata en conector tubular
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
En las figuras 4.9 y 4.10 se pueden notar la zona que se vaporizó en el cable
sin que una falla por sobrecorriente y/o punto caliente estuviese presente, el
arco eléctrico que se formo entre los conductores fue el responsable del daño
del cable. Este arco derivó en el fenómeno de electroerosión en el mismo, y
ocasionó la caída de la barra. La tarde lluviosa facilita la ionización del aire por
la humedad presente, esta situación facilitó la formación de un arco eléctrico en
el conductor.
Este caso es uno de los más complicados de poder diagnosticar previo a la
falla, en las termografías no aparece punto caliente y análisis de efecto corona
no fue realizado previo a la falla.
4.4. Conector Seccionador de Barra Sección Oeste S.T. Heredia 34.5 KV
Esta falla no ocasionó una salida del circuito, mediante termografía preventiva
se detecto un problema en el cable que conectaba el seccionador con el
interruptor de potencia, este se encontraba con una sección de sus hilos
conductores trabajando a mayor carga que los otros, por lo que se utilizo la
reserva de la subestación para reparar el problema.
Es interesante observar que uno de los tornillos del conector se encontraba
totalmente flojo, inclusive con movimiento evidente (tornillo A), lo que provocó
que el tornillo adyacente formara un circuito en paralelo con el cable y sufriera
calentamiento por efecto Joule (tornillo B y C), el tornillo D también presentaba
un menor torque. Los tornillos que se encontraban flojos fueron sometidos a
efecto de electroerosión, sin embargo este no fue lo suficientemente fuerte para
vaporizar todo el conector y provocar la falla, pequeñas deformaciones en el
material comprueban esta situación. Los colores de los tornillos (Figura 4.11) y
la pequeña zona quemada en el tornillo B (Figura 4.12) confirman la situación
expuesta.
En la figura 4.11 y 4.12 se muestran los daños en los tornillos del conector. Es
interesante denotar como una vez mas asimetrías en la conexión eléctrica
derivan en serios problemas de operación de una sección de la subestación. Si
no existió salida de operación fue porque el efecto causado en el conector por
el fenómeno de electroerosión en el material, no se estableció durante mucho
tiempo, y solo originó pequeños cambios en la morfología de la conexión
mecánica tornillo-conector
Figura 4.11: Conector dañado
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 4.12: Efecto Joule en conector dañado
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
En las figuras 4.13 y 4.14 se muestran las termografías realizadas. La primera
figura muestra una asimetría en la conexión, esta no fue atendida en su
momento por el valor de elevación de temperatura registrado. Para la segunda
imagen ya no se presentaba el problema en el conector y se presento el
problema en el cable, el daño por electroerosión originó una mala conexión
eléctrica que derivó en el calentamiento de una parte de los hilos del conductor.
Figura 4.13: Termografía que muestra problema inicial en el conector
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
Figura 4.14: Termografía que muestra el problema final en el conductor
Fuente: Unidad de Pruebas Región Central Costa Rica
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
• La formación de arcos eléctricos de manera espontánea en conexiones
eléctricas es sumamente difícil de controlar, una vez que se origina es
poco lo que se puede realizar para evitar una salida de operación del
sistema. Las causas que llevan a la formación de arcos eléctricos son
los puntos que se deben atacar.
• Se deben diseñar criterios de evaluación para puntos calientes en
conexiones eléctricas asimétricas, diferentes a los utilizados actualmente
para elevaciones de temperatura generales en subestaciones.
• Monitorear mediante mantenimiento preventivo la presión de contacto en
los seccionadores que presenten elevaciones de temperatura.
• Efectuar una revisión general de los torques en los conectores con la
herramienta adecuada y apegándose a las especificaciones del
fabricante para cada conector.
• Reducir la utilización de conectores de compresión en alta tensión,
debido al riesgo que representa su instalación y la poca versatilidad para
reparar problemas de calentamiento durante su vida útil.
Bibliografía Camprubí Graell, Albert ELECTRO-EROSIÓN, Primera Edición, Editorial
Marcombo, Barcelona 2007
Sánchez López de Lacalle, Lamikiz ELECTROEROSION: PROCESOS MAQUINAS Y APLIACIONES, Primera Edición, Fundación Esuela de
Ingenieros, País Vasco 2006
Pollak, Herman W MAQUINAS, HERRAMIENTAS Y MANEJO DE MATERIALES, Editorial Prentice Hall, México 1996
Manual de Termografía Nivel I, Infrared Training Center 2003
Manual de Termografía Nivel II, Infrared Training Center 2007
Paginas de Internet
http://es.wikipedia.org/wiki/Electroerosi%C3%B3n
AUTOR
Ing. Orlando De León Campos.
Ingeniero Eléctrico con énfasis en Sistemas de Potencia graduado de la
Universidad de Costa Rica en el año 2002. Termógrafo certificado nivel II por
ITC norma ISO 18436.
Actualmente coordinador de la Unidad de Pruebas Eléctricas Región Central,
del Instituto Costarricense de Electricidad, con 6 años de experiencia en
labores de montaje y mantenimiento de subestaciones eléctricas.
Correo electrónico [email protected]
Un sincero agradecimiento al personal de la Unidad de Pruebas Eléctricas de la
Región Central, a la coordinación de Mantenimiento de Subestaciones Región
Central por la colaboración brindada y al Ing. Attílio Bruno Veratti por la
asesoría durante el proceso de investigación.