DESCARGAS PARCIALES

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RESUMEN

La importancia que reviste la aislación en las máquinas eléctricas motiva a todo

departamento de mantención a prestar especial atención a los fenómenos que en ésta se

manifiestan.

En el presente seminario de titulación, se realizó una investigación acerca de uno de

estos fenómenos en particular, descargas parciales (DPs).

La información aquí vertida se estructura de la siguiente forma:

� En capitulo uno, se presenta una descripción general acerca de las descargas

parciales, entregando antecedentes, los cuales permiten entender y cuantificar el

fenómeno.

� En los capítulos dos y tres se presenta el fenómeno de las descargas parciales en

transformadores y máquinas rotatorias respectivamente, se incluyen además

métodos de diagnóstico para detectar las descargas parciales.

� En capitulo cuatro se presenta el método de escalón de voltajes, el cual es usado en

el departamento de mantención de la Compañía Siderurgica Huachipato, para

determinar el estado de las aislaciones en máquinas rotatorias y resultados obtenidos

mediante esta prueba.

� Además se presentan anexos, los cuales están relacionados con el tema en cuestión.

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INTRODUCCION

La experiencia en la operación de equipos eléctricos ha mostrado que las descargas

parciales acortan el tiempo de vida de los sistemas de aislación y causan una serie de

interferencias con las medidas, control y comunicaciones eléctricas. Por lo tanto las

descargas parciales pueden llegar a ser la causa de serias pérdidas económicas al producir

reparaciones y cambios prematuros en los equipos eléctricos, pérdidas de eficiencia y

seguridad en la operación de los sistemas de comunicación y por último la interrupción del

servicio de suministro de energía.

Las pérdidas económicas de esta naturaleza pueden ser prevenidas mediante pruebas

a los sistemas eléctricos y sus equipos en el momento apropiado, y así asegurarse que las

descargas parciales no producirán efectos adversos al operar los equipos y sistemas, bajo

las condiciones de servicio para las cuales fueron especificadas.

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Capitulo 1 Generalidades de DPs.

1.0 ANTECEDENTES GENERALES

Durante el proceso de fabricación de un aislante, pudiera producirse que quedaren

pequeñas cantidades de gas aprisionadas en el seno del material, formando cavidades de

formas y dimensiones muy diferentes.

Por otra parte, al montar un aislante alrededor de piezas conductoras, equipos

eléctricos, por descuido, imperfecciones, dificultades constructivas, pudieran quedar

cavidades entre el dieléctrico sólido y conductores o entre diferentes capas de aislación

sólida.

También al usar aislantes plásticos los que se moldean directamente en equipos

eléctricos, en el proceso de fraguado, pueden quedar burbujas gaseosas en su interior.

El envejecimiento del material aislante ya sea porque frente a solicitaciones

externas de los conductores éstos ejercen fuerzas mecánicas o incluso bajo la acción de

contracciones térmicas tales, que dan origen a cavidades de tamaño y formas diversas.

Los fenómenos de origen eléctrico que se producen en estas cavidades (burbujas o

espacios con gas) son fundamentalmente, los mismos.

1.1 NATURALEZA DEL FENÓMENO.

Cuando el material aislante es sometido a una diferencia de potencial y debido a la

presencia de un campo eléctrico el cual tiende a concentrarse en la cavidad, se produce la

ionización del gas presente en éstas, dando origen a una descarga eléctrica. [1.1].

La ionización es un proceso físico, el cual se inicia cuando un electrón libre o un ion

negativo llega a un espacio lleno de algún material ionizable, por ejemplo gas donde exista

un campo eléctrico. Si un electrón tiene la suficiente libertad para moverse en el gas, éste

adquirirá una gran energía dinámica tal que en la colisión del electrón y una molécula

neutra se liberará un electrón de ésta por el impacto. Así cada vez que esto suceda se

liberará un nuevo electrón capaz de producir el mismo efecto, logrando de esta forma que

el número de electrones libres aumente, produciendo así el efecto avalancha.

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Fig-1.1. Avalancha inicial para la formación de una descarga parcial.

Estos electrones, cargados negativamente, se moverán rápidamente en la dirección

del electrodo cargado positivamente, el cual junto con el electrodo negativo producen el

campo eléctrico en el gas ionizable. Las moléculas que pierdan un electrón permanecerán

cargadas positivamente y se moverán mas lentamente que los electrones, en la dirección

opuesta, es decir, hacia el electrodo negativo. El movimiento de los iones esta gobernado

por la fuerza que ejerce el campo eléctrico entre las cargas libres y la masa de cada ion. La

nube de iones positivos representa una carga de espacio la cual reduce la rigidez del campo

eléctrico en la región donde los electrones son liberados por las colisiones, éste y otros

efectos desaceleran el proceso de ionización.

Cuando la intensidad del campo alcanza un valor menor al cual se inicio la

ionización, no se generan mas electrones por avalancha. La carga de espacio formada por

iones positivos en la vecindad del electrodo negativo y la de los iones negativos y

electrones, en la vecindad del electrodo positivo disminuye por la influencia de varios

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efectos. El material de los límites de la región donde la ionización ocurre, además de la

distribución del campo eléctrico y la polaridad de los electrodos, influyen en la velocidad

a la cual la carga se recombina.

A medida que la carga de espacio desaparece, la intensidad del campo eléctrico en

la región en cuestión aumenta, cuando éste alcanza el valor al cual la ionización fue

iniciada la primera vez o ligeramente mayor, la avalancha de electrones comienza y el

proceso de ionización se vuelve a repetir.

Las tensiones de inicio de estas descargas eléctricas son relativamente bajas debido

principalmente a que el campo eléctrico tiende a concentrase en las cavidades, y que la

rigidez dieléctrica del gas es menor que la rigidez dieléctrica del sólido.

Este fenómeno puede ocurrir en cualquier gas y en consecuencia, en cualquier

material aislante sólido con fisuras o cavidades, líquido con burbujas y también en

aislaciones sólidas desgasificadas.

Si se coloca un metal en una zona cercana a la avalancha, las cargas eléctricas se

inducirán capacitivamente en este metal o electrodo. Cuando este electrodo se conecta a

una línea de transmisión, la forma de onda que puede registrarse en esta línea,

corresponderá a la del movimiento de los iones y electrones de la avalancha.

Estas descargas eléctricas afectan sólo a la zona en que se producen, es decir no

comprometen toda la aislación, de allí su nombre genérico de descargas parciales (DPs). Se

podría definir entonces DPs como pequeñas descargas eléctricas que se producen en el seno

de cavidades con gas presente en un medio aislante sólido o líquido.

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1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS DPs.

En general se distinguen tres tipos de DPs.

� Internas.

� Superficiales.

� Corona.

Descargas internas ocurren en cavidades, en general gaseosas, al interior de un

dieléctrico sólido. Estas pueden presentarse de varias formas.

� En el exterior, es decir la cavidad se produce entre los revestimientos de dos

conductores paralelos.

� En el interior del dieléctrico, se presentan como una pequeña cavidad de

aire.

� Entre dieléctrico y aislante, generalmente se produce porque la aislación se

despega.

Descargas superficiales ocurren en gas, ocasionalmente en líquido, en la superficie

de un dieléctrico o interfase entre dos dieléctricos.

Descargas corona, son bastante diferentes de las ya mencionadas. Las descargas

corona ocurren en las superficies metálicas aguzadas o que tienen un pequeño radio de

curvatura, en las cuales el campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del gas (en general

aire). La descarga limitada a la zona de alto campo se extingue en el medio circundante lo

que no origina una falla franca. (Anexo 1)

Por lo recién expuesto, hay autores que prefieren omitir a las descargas corona de la

familia de las DPs, en general pasan a ser fuente de interferencia en la medición de DPs.

1.3 MODELACIÓN DEL FENÓMENO.

Una falla en un determinado punto de un sistema de aislación eléctrica puede

significar la presencia de una cavidad, la cual presenta una determinada capacidad frente a

tensiones alternas.

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Fig-1.2. Modelo de un aislante sólido con falla.

Donde

a : Representa la capacidad de la aislación sin falla.

b : Capacidad serie a la cavidad, es decir, de la zona sin falla.

c : Es la capacidad equivalente de la cavidad.

En general la perturbación eléctrica provocada por una descarga parcial con voltaje

alterno puede ser modelada mediante un circuito análogo con condensadores y resistencias.

[ 1.1].

Fig-1.3. Circuito eléctrico equivalente.

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Donde Rc y Cc representan la resistencia y la capacidad de la imperfección o

cavidad, Rb y Cb la resistencia y capacidad del aislante en serie con la cavidad, Ra y Ca la

resistencia y capacidad del aislante restante.

Pero como las resistencias son tan grandes en relación a las reactancias capacitivas

se adopta simplemente el modelo simplificado.

Fig-1.4. Circuito eléctrico simplificado. Modelo ABC [ 1.2].

Si se aplica una tensión alterna al aislante designada por:

ωSenVmtVt ⋅=)( (1.1)

La diferencia de potencial de los bornes de la cavidad es:

tSenVmCcCb

CbtVc ω⋅

+=)( (1.2)

hasta el momento donde toma el valor Ui (tensión disruptiva del gas en el interior de la

cavidad).

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La descarga se produce cuando el valor máximo de la tensión total aplicada es igual

a:

UiCb

CcCbViV

+=≥max (1.3)

Donde;

Vi : Tensión umbral.

La descarga en la cavidad se traduce en una brusca caída de tensión Vc(t) hasta un

valor Ue llamado extinción de la descarga.

Después de esto, la tensión en la cavidad C empieza a subir nuevamente, ya que la

capacidad de la cavidad representada por Cc, empieza a cargarse debido a la tensión

externa aplicada. Una vez que la tensión en la cavidad C, alcanza nuevamente el valor de

inicio Ui se produce una nueva descarga, y así sucesivamente hasta que, pasado el máximo

de la onda Vc, se llega a valores negativos produciéndose una descarga en sentido opuesto

cuando se alcanza el valor –Ui. Posteriormente y análogamente al caso ya descrito, se

producirá una secuencia de descargas negativas. (La curva de color rojo muestra el voltaje

que debería aparecer en la cavidad de no haber descarga).

Fig-1.5. Formas de onda de voltaje y corrientes generadas por DPs.

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Se debe destacar que los pulsos de DPs son de signo positivo en los intervalos 0°-

90° y 270°-360°, y negativos en el intervalo 90°-270°, concentrándose en la región de

cruce por cero de la señal.

Con tensión continua el fenómeno es irrelevante pues solo ocurre una descarga al

conectar el voltaje y otra al desconectarlo, comparado con lo que ocurre con tensión alterna,

en que habrá al menos dos descargas por ciclo.

1.4 MAGNITUDES ELÉCTRICAS RELACIONADAS CON LAS DPs.

En general en el transcurso de este trabajo, se hablará en términos de

descarga(carga) aparente, identificando con ella a la descarga que se presenta accesible o

medible entre un par de terminales. En esta parte se intenta establecer una relación entre la

descarga aparente y la descarga real, entendiendo por ésta, la física, la que realmente ocurre

a causa de imperfecciones en la aislación y a la existencia de gradientes muy altos.

La magnitud de las descargas parciales puede ser descrita por [ 1.3]: Carga real en una cavidad C de acuerdo a circuito equivalente de la fig-1.3.

UCbCa

CaCbCcq ∆∗

++= (1.4)

Donde;

∆U = Ui – Ue.

Ui : Tensión de inicio de la descarga en la cavidad.

Ue : Tensión de extinción de descargas en la cavidad.

Como generalmente Cb << Ca entonces:

( ) UCbCcq ∆∗+= (1.5)

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Estas descargas producen impulsos de corriente, por consiguiente podemos

representar las DPs por una fuente de corriente que entrega una corriente i(t).

Fig-1.6. Modelo circuito eléctrico con fuente de corriente.

Donde;

)()()( tUCbCcti δ∗∆∗+= (1.6)

δ(t) : Función impulso unitario.

Transformando la fuente de corriente en tensión y nuevamente en una fuente de

corriente se encuentra un circuito equivalente de la forma.

Fig-1.7. Modelo circuito transformado.

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En que;

)()( tCbUti δ∗∗∆= (1.7)

De tal manera que la carga aparente trasferida será:

∫∞

=0

)( dttiq (1.8)

Lo cual da;

UCbq ∆∗= (1.9)

Esta magnitud es la empleada para caracterizar las DPs, ya que se puede medir en

los bornes del aislante. El flujo de carga aparente hacia el exterior origina una variación

de voltaje en los terminales dada por

UCa

Cb

CaCb

CbVa ∆=

+= (suponiendo Cb<<Ca)

La mayoría de los detectores de DPs responden a esta caída de voltaje y son por lo

tanto capaces de determinar q. La medición eléctrica de los impulsos originados por las

DPs pueden expresarse en carga aparente (pC).

Energía disipada por la DP.

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ViqW

⋅=∆ (1.10)

Donde;

q : Carga aparente.

Vi : Voltaje de iniciación o umbral peack.

El número de descargas por cada cuarto de ciclo puede expresarse como el número

de veces que el tamaño de la descarga (∆U) está contenida en el máximo aplicado a la

burbuja Vc.

U

VbfN

∆⋅= 4 (1.11)

Donde;

N : Número de descargas por segundo.

f : Frecuencia (Hz).

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Vb : Voltaje máximo que se aplicaría a la burbuja en ausencia de descargas.

UeCcCb

CbVmVb −

+= (1.12)

∆U : Caída de tensión en la burbuja en cada descarga.

UeUiU −=∆ (1.13)

1.5 ANÁLISIS DE LA FORMA DE ONDA DE LAS DPs PARA EVALUACIÓN DE

LA

DEGRADACIÓN.

Los primeros intentos por resolver en tiempo la forma de onda de una descarga

parcial se iniciaron al final de la década de los 60´s [1.4]. Sin embargo, estos intentos no

se extendieron masivamente hasta los 80´s, cuando aparecieron digitalizadores de 1GHz a

bajo costo. Los primeros estudios revelaron que la forma de onda de una DP tiene un

frente electrónico de muy altas frecuencias, por lo que los circuitos de detección se

basaron en arreglos coaxiales con impedancias lineales de hasta 1GHZ. La siguiente

discusión sobre la mecánica de evaluación de la degradación producida por las descargas

parciales, utilizó un arreglo de este tipo y se circunscribe al análisis de la corriente

inducida por una DP ocurriendo en una cavidad única ocluida al momento de gelado de la

resina epoxica. Las condiciones controladas de manufactura y medición permiten

resultados repetitivos para diferentes muestras.

Las formas de onda de la corriente inducida por una descarga parcial pueden

clasificarse en dos tipos, descargas rápidas y lentas. [ 1.5].

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1.5.1 DESCARGAS ASOCIADAS A CONDICIONES DE SOBRE TENSIÓN.

Estas descargas corresponden al de tipo rápido, las cuales tienen un frente del orden

de 2ns, pero puede alcanzar tiempos menores de 700ps. En estos tiempos, la corriente

puede alcanzar niveles de amperes, por lo que se genera una onda electromagnética que se

difunde en el espacio circundante de la zona de descarga.

Fig-1.8. Forma de onda de la corriente inducida por una DP

rápida asociada a una sobre tensión.

El origen de esta forma de onda de la descarga se encuentra asociado con

condiciones de sobre tensión dentro de la cavidad donde se presenta la descarga. Estas

condiciones de sobre tensión se originan cuando el voltaje presente en la cavidad para

provocar la descarga excede los valores de ruptura del gas sin que exista un electrón libre

para iniciar la avalancha de acuerdo al proceso descrito anteriormente.

La forma de onda de una descarga rápida contiene información sobre el tiempo

entre el momento en que se alcanzó el gradiente de ruptura en el gas dentro de la cavidad y

el momento en que apareció el primer electrón libre. Esta información es relevante para

DESCARGAS PARCIALES

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definir la energía con que se bombardea la superficie y es sin lugar a dudas, el tipo de

descarga que mayor daño puede ocasionar en el aislamiento. Sirve también para la

localización de esta descarga, pues la gran cantidad de energía liberada en corto tiempo es

mucho mayor que la que se encuentra en el medio ambiente como interferencias y que es

causada por las transmisiones de radio y telefonía inalámbrica.

Un dato importante obtenido del estudio de macrofotografías de una superficie de

resina epoxica observada en un microscopio electrónico de barrido, indica que este tipo de

descarga se presenta tanto en cavidades vírgenes como cavidades con severa degradación,

por lo que desde el punto de vista de la evaluación de la degradación, este tipo de descargas

no es importante, ya que la magnitud no se altera con la degradación.

1.5.2 DESCARGAS PARCIALES ASOCIADAS A LA DEGRADACION.

Las formas de onda inducidas por las DPs en muestras que presentan degradación

severa, se observan formas de onda del tipo lento, cuya duración se prolonga dos ordenes

de magnitud más que en las ondas rápidas.

Fig-1.9. Forma de onda típica de la corriente inducida por una DP lenta asociada a

una fuerte degradación.

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Es necesario resaltar que la escala de tiempos es 10 veces más lenta que la

correspondiente a la descarga rápida.

Esta descarga lenta esta relacionada con la formación de avalanchas sucesivas,

generadas por una abundante cantidad de electrones libres provenientes de carga atrapada

en la superficie degradada del aislamiento. Bajo estas condiciones, no se alcanzan niveles

significativos de sobre tensión entre cada descarga y la duración de la descarga se extiende

mientras la conducción de la superficie degradada permita la difusión de cada descarga

anterior. Esta aseveración se confirmo al detectar zonas de inyección de cargas en la

superficie, presentadas como áreas luminosas al barrido de un microscopio electrónico.

Esto indica que los electrones necesarios para observar la imagen promueven la liberación

de mas carga inyectada, que se manifiesta como zonas luminosas. Esto significa que la zona

de mayor degradación tiene menor resistividad superficial y volumétrica, por lo que

promueve la difusión de carga dentro del volumen del aislamiento y con ello la degradación

no sólo es superficial sino que avanza hacia los electrodos hasta provocar una falla.

1.6 NOCIVIDAD DE LAS DESCARGAS PARCIALES.

La degradación de un aislante sólido por las descargas parciales es el resultado de

un conjunto complejo de fenómenos.[1.1 ].

i) Elevación de la temperatura del gas encerrado proveniente de los choques

elásticos entre electrones y moléculas gaseosas.

ii) Bombardeo iónico y electrónico de las paredes de la cavidad provocando

su erosión.

iii) Acción de rayos ultravioleta producidas por átomos excitados y por la

recombinación de portadores.

iv) Descarga química progresiva del material con producción de gases,

particularmente hidrogeno.

La importancia de estos diversos fenómenos, varía ciertamente con el material

dieléctrico considerado y las condiciones en las cuales él es utilizado, pero las experiencias

DESCARGAS PARCIALES

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han demostrado que en un ambiente gaseoso químicamente inerte la degradación de un

aislante obedece a un mismo tipo de evolución que comprende tres fases sucesivas:

i) Inicialmente el proceso de ataque se limita a una erosión lenta, las

cavidades se agrandan y pueden entrar en contacto con otra, debilitando

localmente el muro del aislante.

ii) La segunda etapa puede aparecer en los puntos débiles de la cavidad a

partir de las cuales las descargas se propagan al interior del dieléctrico

sano formando caminos conductores (treeing).

iii) Por fin, cuando el campo eléctrico en la extremidad de una de las

ramificaciones alcanza al gradiente disruptivo intrínsico del aislante se

observa un desgaste rápido del material en esa dirección, y cuando esta

progresión de daño se produce también hacia al electrodo opuesto, la

perforación completa del aislante produce una descarga total de una pieza

conductora a otra.

Fig-1.10. Formación de árboles a partir de una cavidad.

DESCARGAS PARCIALES

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1.7 AUTOEXTINCION DE UNA DPs.

Hay evidencia de que en ocasiones las DPs tras un periodo de existencia se

extinguen. Esto resulta muy ventajoso en la práctica, pero plantea dificultades en los

estudios sobre el fenómeno.

La explicación más plausible a la fecha apela a los depósitos semiconductores que

las propias DPs dejan en las paredes de la cavidad, los cuales cortocircuitan la capacidad

respectiva de la cavidad, reduciendo la tensión aplicada a ella a valores inferiores al

disruptivo. También se ha probado que la autoextinción es tanto más probable cuanto

menor es el espesor de la cavidad. [1.3 ].

1.8 PERTURBACION ELÉCTRICA PRODUCIDA POR LAS DPs.

La transferencia de carga en la región donde se produce la ionización es

acompañada por la correspondiente transferencia de carga en el circuito externo y la fuente

de poder asociada. Por lo tanto, como resultado de esta transferencia de carga,

momentánea, de corta duración, regular o aleatoria, se producen pulsos de corriente, los

cuales se propagan a través del circuito externo, estos pulsos de corriente son de corta

duración ya que son el resultado del movimiento extremadamente rápido de portadores de

carga.

1.9 OTROS EFECTOS.

La descripción del proceso de ionización muestra que hay transferencia de carga en

la región donde se produce la ionización. Esto significa que hay circulación de corriente en

esta región y cierta potencia disipada. Como la corriente circula en un espacio restringido,

la densidad de corriente local es extremadamente alta, lo que produce en la región un

intenso calor. Esto provoca un fuerte incremento de presión en la cavidad, este efecto puede

ser comparado con el de una explosión en miniatura. Así el material que rodea esta zona es

comprimido, generándose una onda de pulsos sónica y ultrasónica que se propaga a través

del medio.

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Capitulo 2. Descargas parciales en Transformadores. 2.0 DESCARGAS PARCIALES EN TRANSFORMADORES. El aumento de las potencias, elevación de los voltajes y necesidades de transmitir a

distancias cada vez mayores convierte a los transformadores en equipos eléctricos de la

mayor importancia.

En la operación de los transformadores de potencia éstos están sujetos a esfuerzos

térmicos, eléctricos y mecánicos, los cuales provocan cierta degradación en el sistema de

aislación. Las causas principales del fenómeno de degradación del sistema aislante son la

temperatura excesiva, oxigeno, y humedad combinadas con los esfuerzos eléctricos, los

cuales actúan como acelerador del proceso de degradación. Las causas secundarias que

aceleran el envejecimiento del sistema aislante son los esfuerzos mecánicos, los ácidos y

lodos. Un exceso de cualesquiera de estos esfuerzos puede acelerar el proceso de

degradación. El proceso de degradación del sistema aislante puede evolucionar

gradualmente hasta que se presenta una falla en el transformador de potencia, la cual puede

ser muy dañina. Estas fallas algunas veces ocurren sin ninguna alarma o señal de que un

problema se está presentando. Pero en otras ocasiones existen pequeños indicios que

indican la presencia de agentes dañinos o de deterioro. La detección oportuna de estos

indicios puede ser la diferencia entre someter el transformador a una reparación, sustituir

una pieza dañada o tener un equipo fallado con todos los graves problemas que esto

ocasionaría. La existencia de DPs es como de los problemas mas frecuentes que se

presentan en los transformadores de potencia.

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2.1 MEDIDA DE LAS DESCARGAS PARCIALES EN TRANSFORMADORES.

Las medidas de DPs en transformadores ha ido asumiendo gran importancia, ya que

éstas revelan la existencia de puntos con intensidades de campo excesivamente altas, y

defectos en los materiales, a raíz de esto se han desarrollado métodos unos mas precisos

que otros, los cuales pueden entregar información sobre fallas en la aislación. Tan

importante como medir la intensidad de las descargas parciales es poder localizarlas, a fin

de eliminarlas si así resultase necesario.

2.2 OBJETIVOS DE LAS MEDICIONES.

� Asegurar que el nivel de DPs, a una tensión superior a la máxima de trabajo no

sobrepase valores aceptables.

� Conocer cambios en el estado de la aislación como resultado de envejecimiento.

2.3 ENSAYO DE AISLACIÓN EN TRANSFORMADORES.

Los ensayos de aislación en transformadores y en cualquier equipo eléctrico, se

realizan para verificar que el aislamiento posea características óptimas ya sea en el proceso

de fabricación, o bien durante los períodos de mantenimiento del equipo una vez que éste

ha entrado en servicio.

Dentro de los principales ensayos dieléctricos aplicables a transformadores está el

de detectar descargas parciales.

2.4 DETECCIÓN DE DPs EN EL AISLAMIENTO DE TRANSFORMADORES.

Las descargas parciales en transformadores pueden detectarse por medio de los

siguientes métodos.

DESCARGAS PARCIALES

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� MÉTODOS ELÉCTRICOS. Estas técnicas son empleadas principalmente para

detectar la presencia de descargas parciales en transformadores de potencia de alta

tensión por medio de dispositivos que registran la magnitud de las descargas. Este

tipo de registro resulta de una gran utilidad, sin embargo los métodos eléctricos no

pueden determinar el origen o ubicación física de la fuente de DPs, además este tipo

de mediciones no pueden ser aplicadas en terreno o en transformadores en servicio

debido a los altos niveles de interferencia electromagnética que por lo general están

presentes en el entorno en el cual se desempeña el transformador.

� MÉTODOS QUÍMICOS. Los métodos químicos aprovechan la información

entregada por los gases que aparecen en el aceite del transformador, no obstante,

estas técnicas no permiten detectar la presencia de descargas incipientes en el

aislamiento del transformador debido a que se produce un gran retardo entre el

inicio de la fuente de DPs y la evolución de gas suficiente que delate la presencia de

estas, otro gran defecto de estos métodos es que no entregan una ubicación precisa

de la falla, si no, tan solo, la circunscriben a una zona la cual puede ser bastante

grande (por ejemplo todo el enrollado).

� MÉTODOS ACÚSTICOS. Las técnicas acústicas detectan la actividad de descargas

parciales por medio de sensores que se instalan en el tanque del transformador.

Estos métodos además de medir la magnitud de las descargas pueden entregar la

ubicación física de las fuentes de descargas parciales.

2.5 MÉTODO QUÍMICO: ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO.

El propósito de este análisis es conocer exactamente las diferentes sustancias que

componen los gases disueltos extraídos desde el aceite del transformador. [ 2.1 ]

DESCARGAS PARCIALES

22

De acuerdo a la naturaleza de los gases disueltos en el aceite aislante, se puede

determinar la causa de la anormalidad para prevenir y solucionarla antes que se transforme

en falla.

Cuando se detectan gases en cantidad suficiente como para suponer la existencia de

una falla, es necesario conocer la severidad de ella, lo cual se determina en base a la tasa de

crecimiento por día de cada gas en particular o del total de gases combustibles.

2.5.1 IDENTIFICACIÓN DE UNA FALLA DE UN MATERIAL EN SEVICIO CON

LA AYUDA DEL ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO.

ACETILENO (C2H2).

La presencia del aceliteno en el gas en solución en el aceite es siempre debido a una

falla eléctrica.

Si el C2H2 esta acompañado solamente de CH4 y de H2, se trata de arco de

duración limitada en el aceite. Si estos elementos son acompañados de CO y CO2 éste arco

compromete una aislación sólida.

Si estos mismos elementos sin CO ni CO2, son acompañados de C2H6, C3H8,

C2H4, C3H6 ellos son producto de fuertes DPs o de arcos en el aceite. Si además se

observa CO, las descargas se producirían en una aislación sólida: Si las descargas son

realmente grandes los hidrocarburos no saturados predominan sobre los saturados. En el

caso de pequeñas descargas parciales, ellas son mas erosionantes para una aislación sólida

cuanto mas grande es la relación CO/CO2.

DESCARGAS PARCIALES

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PRODUCTO DE DIAGNÓSTICOS

DEGRADACIÓN POSIBLES.

� C2H2 + CH4 + H2 Arco franco en aceite (duración

limitada por protección)

� C2H2 + CH4 + H2 + Arco franco en el papel (duración

CO + CO2 limitada por protección)

� C2H2 + CH4 + H2 + Fuertes descargas parciales en el

C2H6 + C2H4 + C3H8 aceite.

C3H6 + C3H4

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� C2H2 + CH4 + H2 + Fuertes descargas parciales en el

C2H6 + C2H4 + C3H8 papel impregnado, (H2 y predo-

C3H6 + C3H4 + CO + minan los hidrocarburos no

CO2 saturados).

� C2H2 + CH4 + H2 + Pequeñas descargas parciales en

el

C2H6 + C2H4 + C3H8 papel impregnado, (H2 y predo-

C3H6 + C3H4 + CO + minan los hidrocarburos saturados)

CO2

ETILENO (C2H4).

Si los productos de degradación contienen C2H4 (sin C2H2), se trata siempre de

una degradación térmica, si no hay CO2, en el punto caliente no interviene la aislación

sólida.

La temperatura de esta falla será superior o inferior a 500°C según sea mayor la

cantidad de C2H4 o de CH4 respectivamente entre los productos detectados. En general

están acompañados de H2, C2H6, C3H8 y C3H6.

Cuando además en estos compuestos, se constata la presencia de CO2 y

eventualmente de CO, la falla es en un punto caliente igual o superior a 130°C. Mientras

DESCARGAS PARCIALES

25

no se alcance la temperatura de 300°C la razón CO/CO2 permanece del orden de 0.1, el

dióxido de carbono (CO2) esta siempre presente en mayor concentración.

PRODUCTO DE DIAGNÓSTICOS

DEGRADACIÓN POSIBLES.

� C2H4 + CH4 + H2 + Punto caliente en el aceite

Hidrocarburos saturados <500°C predominan CH4

(C2H6, C3H8, C3H6) >500°C predomina C2H4 (a

veces

pequeñas cantidades de C2H2).

� C2H4 + CH4 + H2 + Punto caliente en el papel

Hidrocarburos saturados impregnado

(C2H6, C3H8, C3H6) + CO + CO2 >130°C predomina CO2.

DIOXIDO DE CARBONO (CO2).

En ausencia de C2H2 y del C2H4, el CO2, solo o acompañado de un poco de CO o

de CH4, es característico de un envejecimiento térmico normal del papel.

DESCARGAS PARCIALES

26

Cuando se observa además un fuerte predominio del H2 y de hidrocarburos

saturados, como C2H6, C3H8 y C3H6, con una relación de CO/CO2 superior a 0.1, se trata

de pequeñas descargas parciales que erosionan por largo tiempo la aislación sólida.

PRODUCTO DE DIAGNÓSTICOS

DEGRADACIÓN POSIBLES.

� CO2 Envejecimiento térmico normal

CO2 + CH4 (Metano) del papel

CO2 + CO

� H2 + Hidrocarburos saturados Se trata de pequeñas descargas

(C2H6, C3H8, C3H6) + CO + parciales que erosionan por

CO2 (CO/CO2 > 0.1) largo tiempo la aislación sólida

(papel impregnado).

DESCARGAS PARCIALES

27

HIDROGENO (H2).

La presencia de H2 (hidrogeno), solo o acompañado eventualmente de una cantidad

de CH4 (metano), es debida a descargas parciales, ya sea en la aislación, en la superficie

libre del aceite, o bien, es la primera manifestación de una falla eléctrica mas grave.

PRODUCTO DE DIAGNÓSTICOS

DEGRADACIÓN POSIBLES.

� H2 (Hidrogeno) Se trata de pequeñas descargas

parciales (gasificación del aceite).

H2 + CH4 (Metano) Primera manifestación de una falla

eléctrica mas grave.

COMPUESTOS DEL AIRE (O2, N2).

En el caso de fallas en el relé Buchholz, puede ser que el gas sacado de éste

contenga O2 y N2. Si la proporción O2, N2 es similar a la del aire, se puede tratar de una

entrada de aire. Si la proporción de O2 es mucho menor que la del aire, esto puede ser

DESCARGAS PARCIALES

28

debido a un punto caliente de temperatura superior a 100°C en efecto, el coeficiente de

solubilidad del N2 en los aceites minerales clásicos pasa por un máximo entre 80 y 100°C.

PRODUCTO DE DIAGNÓSTICOS

DEGRADACIÓN POSIBLES.

� N2 (Nitrógeno) + Introducción de aire, (si la propor-

O2 (Oxigeno) ción del O2, N2 es similar a la del

aire).

Punto caliente que desgasifica el

N2, (Si la proporción de O2 es

mucho menor que el aire)

2.5.2 AMBIGÜEDAD DE CIERTOS DIAGNÓSTICOS.

La identificación de una falla con ayuda del análisis de los gases formados se da

solo para un tipo de falla a la vez. Es corriente que un transformador en servicio presente

dos fallas simultaneas o simplemente una falla superpuesta al envejecimiento térmico

normal. La incertidumbre no es siempre fácil de discernir pero puede ser utilizado un cierto

número de criterios: en particular, el caso de una relación CO/CO2 > 0.1 debe ser siempre

considerado como índice de descarga que compromete la aislación. Desgraciadamente se

trata de una condición suficiente pero no necesaria.

DESCARGAS PARCIALES

29

Una ambigüedad clásica proviene de la superposición de una pequeña falla térmica,

un punto caliente del orden de 120°C por ejemplo, y pequeñas descargas parciales en la

aislación sólida, en este caso, hay C2H4 sin C2H2 y el diagnostico que se da es “punto

caliente en aislación sólida”, lo que es verdad pero ignora la existencia de descargas

parciales en la aislación sólida. Si en este caso existe una relación CO/CO2 superior a 0.1

debe pensarse en la superposición de estos dos efectos, igualmente una relación

C2H6/C2H4 > 1 es siempre índice de descarga parcial.

En fin, se puede llegar a que gracias a la presencia del C2H2 existe un arco eléctrico

y que la presencia de una gran cantidad de monóxido de carbono, ampliamente superior a la

del dióxido de carbono, hace pensar en un arco que compromete la aislación a base de

celulosa. También puede tratarse, a menudo, de un arco en el aceite que atacan, al pasar, un

barniz o una pintura.

DESCARGAS PARCIALES

30

2.6 CONCENTRACIONES LÍMITES “SEGURAS”, EN PPM DE GASES

DISUELTOS EN ACEITE.

Tabla Nro-2.1. Concentraciones límites “seguras”. [2.2 ]

Gas Formula PMM Limite Hidrogeno H2 20n + 50 Metano CH4 20n + 50 Etano C2H6 20n + 50 Etileno C2H4 20n + 50 Acetileno C2H2 5n + 10

Monóxido de carbono CO

25n + 500 Anhídrido Carbónico CO2 100n + 1500 Total de gases combustibles TGC 110n + 710 n = numero de años en servicio.

NOTAS:

� Se considera en buenas condiciones los transformadores que presentan

concentraciones de gases iguales o inferiores a los dados en la tabla Nro-2.1

� Se consideran concentraciones peligrosas las comprendidas entre 5 y 10 veces los

valores de la tabla Nro-2.1 para transformadores de instrumentos.

� Todos los gases disueltos, excepto el nitrógeno el oxígeno y el anhídrido carbónico

son combustibles. Por lo tanto debe considerarse el peligro de explosión, en especial

en transformadores de poder pequeños y en transformadores de instrumentos.

DESCARGAS PARCIALES

31

2.7 MÉTODO ACÚSTICO: LOCALIZACIÓN DE DPs POR ULTRASONIDO.

El método de localización por ultrasonido utiliza dos de los fenómenos producidos

por las DPs. [2.3 ]. El primero, producto de la rápida transferencia de carga que se produce,

provoca una perturbación eléctrica de alta frecuencia que se propaga a través del circuito

externo.

El segundo debido a la disipación de energía la que provoca la generación de ondas

de presión sónica y ultrasónica, que se propaga a través del medio donde se produce la

descarga parcial.

La perturbación eléctrica se propaga a una velocidad cercana a la de la luz

( sm/108 ) a través del circuito eléctrico y la velocidad de la onda sonora dependerá del

medio por el cual se propague, pero en general mucho menor comparada con la de la

perturbación eléctrica, en aceite de transformador por ejemplo, la velocidad es de 1390 m/s.

Es justamente esta diferencia la que permite utilizar estos dos fenómenos para la

localización de la descarga parcial.

De esta forma, se puede considerar que la señal eléctrica aparece en los terminales

del transformador instantáneamente. No así la onda de presión, la que tomará cierto tiempo

para llegar a la red exterior del estanque del transformador.

El intervalo de tiempo entre la llegada de las dos señales será una medida de la

distancia entre la descarga y el punto en el cual se detecto la señal acústica.

DESCARGAS PARCIALES

32

2.7.1 EQUIPO BÁSICO PARA UN SISTEMA DE LOCALIZACIÓN DE DPs POR

ULTRASONIDO.

Fig-2.1. Esquema básico para un sistema de localización por ultrasonido.

Las características básicas de cada elemento son:

� Sensor :

� (1) Ceramica piozoeléctrica capaz de transformar la onda de presión

acustica en señal eléctrica. Sus principales caracteristicas deben ser

sensibilidad y respuesta de frecuencia adecuada.

� Amplificador:

� (2) Necesario para elevar las señales a niveles inmunes al ruido inducido en

los cables, junto con el filtro requiere buenas caracteristicas con respecto al

ruido equivalente a la entrada.

� Filtro:

DESCARGAS PARCIALES

33

� (3) Necesario para seleccionar las señales adecuadas. Preferentemente

pasabandas, sintonizados a la frecuencia de máxima respuesta del sensor

para obtener máxima sensibilidad.

� Osciloscopio:

� (4) Para observar las señales de ultrasonido de la descarga parcial captado

por el sensor. Por ser el elemento de medida debe poseer buenas

características en lo referente a base de tiempo y control de barrido.

� Fuente para el disparo del barrido del O.R.C.

� Necesario para disparar el barrido del osciloscopio. Utiliza la perturbación

eléctrica producida por la descarga parcial, se compone de un condensador

de acoplamiento de alta tension (5A) y un amplificador (5B).

2.7.2 PROCEDIMIENTO DE MEDIDA.

El procedimiemto de medida es el siguiente: el osciloscopio deberá ser ajustado

para que opere con un sólo barrido y que éste ocurra sólo cuando una señal de disparo le

sea aplicada a la entrada “trigger Externo” del osciloscopio.

Así al inducir la descarga parcial la perturbación eléctrica se acoplará

capacitivamente al circuito eléctrico y aparecerá casi instantáneamente en el bushing de

alta, posteriormente pasará al almplificador de disparo a través del condensador de

acoplamiento y luego al “Trigger Externo” del osciloscopio. Con esto el barrido del

osciloscopio se producirá casi simultaneo con la ocurrencia de la descarga.

Por otra parte, la onda de presión sonora producto de la descarga parcial que se

propagará desde el punto con descarga a la pared externa del transformador, será recibida

por el sensor, transformada en señal eléctrica, amplificada y filtrada para luego ser

desplegada en la pantalla del osciloscopio.

DESCARGAS PARCIALES

34

El tiempo entre el comienzo del barrido y la primera deflexión vertical será una

medida de la distancia entre la descarga parcial y el sensor.

tvd ∆∗= (2.1)

Donde;

d : Distancia entre descarga parcial y el sensor en metros.

v : Velocidad de la onda sonora en el aceite 1390 m/s.

∆t : Intervalo de tiempo medido en segundos.

Fig-2.2. Ejemplo de localización en un plano.

DESCARGAS PARCIALES

35

Esto combinado con algún método de triangulación adecuada permitirá la

localización de la descarga parcial.

La Fig-2.2 muestra un ejemplo de localización en un plano.

� 1,2,3 : Sensores.

� 4,5 : Osciloscopio.

� 6 : Cuba.

� 7 : Descarga parcial.

En este caso cada intervalo de tiempo da origen a una circunferencia. La

intersección de las circunferencias corresponderá a la ubicación de la descarga parcial.

2.7.3 DIFICULTAD DEL MÉTODO POR ULTRASONIDO.

Considerando el aspecto constructivo de los transformadores, la onda de presión

producida por la descarga parcial, al propagarse debe atravesar diferentes medios (cobre,

presspan, aceite, fierro, etc.) antes de alcanzar el sensor. Esto se traduce en diferentes

velocidades de propagación, reflexiones, atenuaciones y diferentes modos de propagación.

Todos estos efectos pueden por una parte, limitar la sensibilidad del método, y por

otra llegar a ser fuente de posibles errores en la medida del tiempo de propagación y en

consecuencia, en la localización de la descarga parcial, con lo que se hace necesario

analizarlos en detalle.

DESCARGAS PARCIALES

36

2.8 EFECTOS DE LAS DPs SOBRE EL REFRIGERANTE DEL TRANSFORMADOR.

El aceite del transformador, como la sangre en el cuerpo, pasa por todos los sitios de

éste. Si en algún punto se esta produciendo un calentamiento anómalo (temperatura

superior a 140°C) o una heterogeneidad del aislante que origina descargas eléctricas, el

aceite aislante se descompone originando productos que permanecen disueltos en el aceite

(hidrogeno, metano, etano, acetileno, oxido de carbono).

Las DPs en un transformador producen un aumento de la temperatura en las zonas

en las cuales se producen, contribuyendo con esto al aumento de la temperatura del aceite

refrigerante.

La temperatura tiene un doble efecto en el envejecimiento, como regulador de la

migración del agua entre el papel y el aceite, y como activador de reacciones químicas de

oxidación del aceite.

EL aumento de la temperatura, provocará un aumento de la solubilidad del agua en

el aceite que absorbe el agua contenida en la celulosa. En tales circunstancias, el aceite

pierde rigidez dieléctrica y sufre procesos químicos de formación de compuestos de

degradación.

La presencia de gas en el aislamiento de un transformador aislado por aceite, puede

dar lugar a descargas parciales, ésta es la razón de la atención particular que debe tenerse al

cargar transformadores con aceite bajo vacío. También pueden producirse descargas

parciales por fibras húmedas o por cualquier tipo de partículas conductoras pequeñas que

distorsionan el campo eléctrico y ocasionan puntos locales de concentración de esfuerzo

eléctrico.

DESCARGAS PARCIALES

37

2.9 EFECTOS DE LAS DPs SOBRE LA AISLACIÓN SÓLIDA DEL

TRANSFORMADOR

La geometría de los bobinados del transformador se mantiene con ayuda del

encintado de los conductores de cobre. Este encintado se realiza con material cuya base es

la celulosa.

Bajo la acción de la temperatura (por encima de los 60°C) ésta se degrada,

disminuyendo su grado de polimerización (G.P) y pierde su resistencia a la tracción, hasta

hacerse vulnerable mecánicamente (vibraciones). Cuando el transformador es nuevo,

después de realizarse la impregnación de los bobinados con aceite, se puede estimar que el

G.P. promedio es de 1000.

En su degradación térmica se origina un producto como al 2-furfuradehido (2-FAL),

que en una pequeña parte pasa al aceite. La determinación de la concentración de 2-FAL en

el aceite, esta relacionada con la disminución del G.P. del papel. Se identifican así los

defectos térmicos que afectan al aislamiento sólido y el grado de envejecimiento del

aislante por la estimación del G.P.

DESCARGAS PARCIALES

38

Capitulo 3. Descargas parciales en máquinas rotatorias.

3.0 INTRODUCCIÓN.

En los procesos industriales, los motores (y generadores) cumplen un rol muy importante y están diseñados para una larga vida útil, la que a su vez depende en gran medida de la condición del aislante de éstos. Surge así la necesidad de ejercer un control de la calidad de los aislantes de los motores usados en procesos industriales.

Los materiales empleados como aislantes o dieléctricos quedan sometidos a

diversos tipos de solicitaciones, aún en condiciones normales de operación, estas

solicitaciones dan origen a un lento deterioro de los materiales, lo que se conoce como

“envejecimiento”. La velocidad de envejecimiento de los materiales aislantes varia según

las exigencias de trabajo (temperatura, humedad, sobrevoltaje, descargas parciales, etc).

3.1 INFLUENCIA DE LA AISLACIÓN EN LA EFICIENCIA DE LAS MÁQUINAS

ROTATORIAS.

En general, la eficiencia del motor en lo que respecta a la conversión de potencia

eléctrica a mecánica se incrementa en la medida que el espesor del aislamiento disminuye.

En las bobinas de estator, el acoplamiento entre la corriente en las bobinas y el

campo magnético resulta mayor si el espesor de la aislación alrededor de los conductores se

reduce a niveles cercanos a cero. Si se da esta última situación todo el flujo magnético

creado a partir de la corriente en las bobinas del estator se enlazará a través del núcleo con

el rotor. Si se tiene una aislación de espesor mayor, algún porcentaje del flujo derivado de

los conductores de las bobinas de estator no se acopla hacia el núcleo por lo que será

necesario una mayor corriente en el estator para obtener una misma proporción de flujo

magnético hacia el rotor. Entonces si se incrementa el espesor del aislamiento se tendrá

como resultado mayores flujos de fuga, la utilización necesaria de mas fierro y finalmente

una menor eficiencia. El incremento del espesor de la aislación tiene otro tipo de influencia

sobre la eficiencia, con aislación de mayor espesor la impedancia térmica entre conductores

y el núcleo de fierro se incrementa, entonces los conductores que forman parte del

DESCARGAS PARCIALES

39

bobinado de la máquina operan a mayor temperatura, trayendo como consecuencia mayores

perdidas I²R y por ende menor eficiencia.

En estudios realizados sobre influencia del aislamiento en la vida útil del motor se ha concluido que el 37% de las fallas en máquinas rotatorias están determinadas por la ruptura de la aislación del estator, las cuales terminan en cortocircuitos. De acuerdo a esto, los problemas en los bobinados constituye el factor más determinante en la vida del motor.

Otras investigaciones muestran que el origen de las fallas en los bobinados de las

maquinas rotatorias es el deterioro gradual de la aislación debido a esfuerzos térmicos,

eléctricos, mecánicos y ambientales. [3.1]

3.2 MECANISMOS DE FALLA EN MOTORES Y GENERADORES.

La aislación de máquinas eléctricas, sean estas de bobinado aleatorio o formado, deben soportar simultáneamente esfuerzos: [3.1]

� Térmicos.

� Mecánicos.

� Eléctricos.

� Ambientales.

3.2.1 ESFUERZOS TÉRMICOS.

La temperatura de operación de las bobinas de estator puede eventualmente ser

superior a las normales por una o más de las siguientes razones:

� Flujo de aire de ventilación a alta temperatura por mala mantención.

� Sobrecarga de la máquina. La temperatura del cobre aumenta con el

cuadrado de la corriente de sobrecarga.

� Partidas consecutivas del motor sin que se haya disipado las

sobretemperaturas ocasionadas por partidas anteriores.

DESCARGAS PARCIALES

40

� Corriente de secuencia negativa en bobinados del estator debido a sistemas

de tensiones desbalanceadas entre las tres fases.

3.2.2 ESFUERZOS MECÁNICOS.

Los esfuerzos mecánicos se generan en los bobinados del estator de las máquinas rotatorias como consecuencia de fenómenos térmicos o como resultado de flujos de corriente en el campo magnético. En algún momento un polo de rotor pasa sobre la ranura de estator generando fuerza magnética sobre las bobinas del estator que tiende a mover a éstas. La fuerza producida por este fenómeno electromagnético es proporcional al cuadrado de la corriente que fluye hacia los conductores. Lo anterior puede llevar a distintos mecanismos de falla de la aislación tales como:

� Grietas en la aislación a tierra causando eventualmente fallas a tierra.

� Desgaste de la aislación del conductor causando fallas conductor-conductor

a vuelta-vuelta.

� Desgaste de la aislación a tierra resultando en pérdidas de cubiertas

semiconductoras, trayendo como consecuencia aparición de descargas

parciales.

Al momento de la partida de los motores se inducen grandes esfuerzos radiales, axiales y circunferenciales en las terminaciones de las bobinas a raíz de la corriente de inrush que aparece cada vez que la máquina parte. Aquí resulta critica la presencia de elementos sujetadores de bobinas para prevenir el excesivo movimiento.

3.2.3 ESFUERZOS ELÉCTRICOS.

En general los esfuerzos eléctricos a los que se puede ver sometido el aislamiento de motores y generadores pueden desarrollarse a frecuencias nominales o a alta frecuencia.

Los mecanismos de falla a frecuencia nominal son las descargas parciales

ocasionadas por cavidades en la aislación estatorica que van deteriorando continuamente al

DESCARGAS PARCIALES

41

aislamiento, y la combinación de esfuerzos eléctricos alternos y contaminación que pueden

ocasionar tracking eléctrico o trayectos conductores sobre la superficie de la aislación en

las terminaciones de las bobinas.

Estos esfuerzos eléctricos pueden perforar al aislamiento entre vueltas provocando

alta circulación de corriente que eventualmente puede quemar la aislación a tierra.

La rigidez dieléctrica de la aislación entre vueltas puede empeorar o sufrir

degradación debido a otros factores tales como:

� Uso de aislación en los conductores magnéticos con baja resistencia a

esfuerzos eléctricos y descargas parciales.

� Debilitamiento de la aislación entre vueltas derivado de procesos de

fabricación como el inherente a la fabricación de bobinas.

� Agentes, eléctricos o mecánicos que pueden reducir la rigidez dieléctrica de

la aislación entre vueltas.

3.2.4 ESFUERZOS RELATIVOS AL ENTORNO.

El ambiente en que el motor opera puede tener la mayor influencia en la vida útil del bobinado del estator. Si la terminación de las bobinas están sometidas a alta contaminación como humedad, polvo, aceite, es muy probable la aparición de tracking eléctrico y picaduras en el aislamiento.

De igual manera algunas máquinas rotatorias que operan en ciertos ambientes

industriales cuyo entorno contiene ácidos, álcalis o aceite, que pueden atacar químicamente

los componentes del aislamiento reduciendo la rigidez dieléctrica de éste.

3.3 DETECCIÓN DE DESCARGAS PARCIALES.

Las descargas parciales (DPs) constituyen descargas que aparecen con al aplicación de alta tensión en cavidades del aislamiento, sobre la superficie de las bobinas cercanas al estator o en las regiones próximas a las terminaciones de los bobinados.

DESCARGAS PARCIALES

42

Estudios recientes con respecto a las DPs en pequeñas máquinas rotatorias (4kV), han llegado a la conclusión de que el nivel de descargas era muy pequeño ( un orden de magnitud menor en comparación a máquinas de 6 KV), pero cuando ocurría la falla ésta era muy rápida (ya que el voltaje fase neutro es de 2.3KV, lo que implica que la aislación es mas delgada). [3.2]

3.3.1 ENSAYOS PARA DETECTAR DPs.

Los ensayos de DP para verificar el estado de la aislación de una máquina rotatoria deben satisfacer las siguientes condiciones.

� No debe aumentar la probabilidad de falla.

� La prueba no debe dar falsas indicaciones de deterioro.

� No riesgosos. Tanto para el equipo, al imponer eventualmente una

solicitación excesiva, como para el personal que esta realizando la

operación.

� El costo debe ser apreciablemente menor que el costo de una falla o salida

de servicio forzada.

� La prueba debe ser parte de una estrategia de mantención.

3.3.2 DETECCIÓN OFF-LINE DE DPs.

En este ensayo los bobinados son energizados con el voltaje de operación normal de línea a tierra con una fuente de alimentación externa y empleando un detector de descargas parciales comercial para medir actividad de DP en los bobinados. (anexo 2).

Cada chispa asociada a descarga es un pulso rápido de corriente que avanza a través de los bobinados del estator. La descarga de mayor amplitud está relacionada con el mayor pulso de corriente (acompañado por pulsos de tensión) que alcanza los terminales de las bobinas del estator. [3.3]

DESCARGAS PARCIALES

43

Fig-3.1. Esquema básico asociado a la medición off-line de DPS.

Un capacitor de alto voltaje bloquea la tensión de frecuencia industrial mientras permite que las señales o pulsos de alta frecuencia lleguen al detector de descargas parciales. Estos pulsos, luego de ser filtrados, pueden ser visualizados en un osciloscopio, aunque las magnitudes de las señales que se pueden observar a través de la pantalla del osciloscopio vienen en milivolts.

El procedimiento de ensayo más común consiste en incrementar gradualmente la tensión alterna de prueba hasta que los pulsos asociados a descargas parciales sean visibles en el osciloscopio o puedan ser registrados en un instrumento electrónico. El voltaje para el cual comienzan las descargas parciales se conoce como tensión de inicio de descarga (DIV). Cuando se reduce el voltaje de prueba debe determinarse la tensión de extinción de descarga (DEV). El DIV es por lo general mayor que el DEV.

De acuerdo a IEEE 1434 no existe consenso sobre los niveles aceptables para las magnitudes de DPs. Los bobinados de las máquinas rotatorias son virtualmente los únicos equipos de alta tensión para los cuales los límites de descargas parciales no están claramente establecido.

Entre los inconvenientes de detección off-line de descargas parciales se tiene:

� En este ensayo, el bobinado completo incluyendo el punto neutro, están

completamente energizados, por lo que muchos sitios de DPs normales no

DESCARGAS PARCIALES

44

activos en servicio pueden contribuir a la magnitud de los pulsos observados

en el display. Lo anterior puede inducir a errores de interpretación por parte

del operador, que eventualmente puede asumir aislamiento en deterioro

cuando en realidad no es así.

� Un problema adicional radica en el hecho que algunos sitios de DPs se

distribuyen de manera errática cuando la máquina no esta operando,

situación que puede hacer de este ensayo un test inconsistente. Por ejemplo;

las DPs en ranuras, debido a bobinas sueltas dentro de éstas, pueden no

manifestarse si no hay vibración mecánica.

Fig-3.2. Configuración instrumental del ensayo de detección off-line de DPs.

3.3.3 DETECCIÓN ON-LINE DE DPs.

Este ensayo es similar al off-line, con la diferencia que no requiere fuente de voltaje externa para energizar los bobinados, pues el estator del motor o generador se conecta a la red y se le hace funcionar normalmente. La actividad de descargas parciales puede ser medida por diferentes tipos de detectores. [3.3]

DESCARGAS PARCIALES

45

Un problema asociado a la detección on-line que no esta presente en las pruebas off-line es la alta interferencia eléctrica del sistema de potencia, particularmente debido a la operación de instrumentos de potencia, malas conexiones y efectos corona en líneas aledañas. Estas fuentes de ruido pueden ser confundidas con descargas parciales de los bobinados de estator y pueden traer como consecuencia diagnósticos incorrectos. A partir de los últimos 20 años se han desarrollado varios métodos para eliminar el problema del ruido. Algunas de estas técnicas emplean dos sensores por fase en una configuración tipo puente para balancear los niveles de ruido.

Una vez que las señales de ruido son separadas, instrumentos especiales son empleados para registrar las descargas parciales en bobinas del estator. Estos instrumentos sólo se justifican en máquinas grandes de 6kV o más, donde las fallas en bobinados traen consigo grandes costos.

La interpretación de las mediciones es prácticamente la misma para el ensayo off-line. En particular se examinan las tendencias de las magnitudes de las descargas parciales en un período de tiempo. Si estas magnitudes aumentan al doble o más cada seis meses, sé esta en presencia de bobinados en rápido deterioro. Adicionalmente resulta conveniente comparar las bases de datos de un estator en particular con la información de varios estatores similares para determinar si el primero posee mediana o alta actividad de descargas parciales.

Fig-3.3. Disposición instrumental para la medición on-line.

DESCARGAS PARCIALES

46

Esta prueba esta disponible desde hace 50 años, pero ha mostrado una tendencia a dar falsas indicaciones causadas por el ruido.

3.3.4 TEST ANALIZADOR DE GENERADORES DE TURBINAS Y MOTORES

PEQUEÑOS (TGA).

En la última década se han desarrollado aplicaciones para observar las DPs en línea en generadores y motores pequeños. En este caso el ruido ambiente se debe en general a corona, descargas o malos contactos eléctricos externos a la máquina. Para discriminar entre DP internas del estator y el ruido proveniente del exterior se sugiere utilizar 6 sensores (2 por cada fase). [3.4]

Fig-3.4. Esquema para el test con apoyo del equipo TGA. (anexo2)

Estos sensores son condensadores de 80 pF, 15 kV, llamado “acopladores de línea”. Conectados a tierra bloquean la frecuencia industrial, pero detectan como un breve pulsos las DPs. Estos pulsos son detectados por transformadores de corriente de radio frecuencia instalados en el cable que conecta el acoplador a tierra.

Se instalan dos acopladores por fase, separados al menos por 2 m de barra o de cable. El ruido proveniente del exterior se discrimina de las DPs del estator por la dirección en que viaja el pulso. Si el pulso se detecta primero en N y luego en F, es una descarga del estator y contabiliza. Si el pulso se detecta primero en F y luego en N, es ruido de exterior y

DESCARGAS PARCIALES

47

se descarta. La lectura, discriminación y registro de las descargas parciales se puede hacer con un equipo apoyado por un computador dedicado llamado TGA.

Los acopladores N se instalan en la caja de terminales y los acopladores F, por ejemplo en los terminales del interruptor.

La experiencia ha mostrado que si los cables de alimentación de un motor son suficientemente largos (100 m o más) y libres de descargas, el ruido proveniente del exterior se atenuaría, haciendo innecesario usar en cada fase uno de los sensores, él mas alejado, el F.

3.3.5 ESTADO DEL ARTE DEL ESTUDIO DE LAS DPs EN MÁQUINAS

ROTATORIAS.

La más común aproximación automatizada se basa en el reconocimiento de patrones. La mayoría de las aproximaciones se basa en experimentos de laboratorio o en señales adquiridas durante pruebas off-line de aparatos industriales. [3.5]

La prueba on-line es ampliamente preferible, ya que en la actualidad existen sistemas de monitoreo de DPs. La tendencia de las variadas características y parámetros de distribución deben ser adquiridas automáticamente y evaluados tomando en cuenta el estado de la máquina (temperatura, carga, etc) al momento de las mediciones.

Hoy se puede constatar la aplicabilidad de modernas técnicas digitales para procesamiento de señales utilizadas para reconocer pulsos de DPs entre ruido.

La tradicional técnica de supresión de ruido incluye salas aisladas, filtros en las entradas de líneas de poder, entradas de transformadores aisladas y filtros de atenuación para el ruido de alto voltaje.

El ruido puede definirse como una señal no deseada que no está relacionada con la señal de entrada. Las fuentes de ruido a menudo ensucian las señales de DPs de interés. Cuando tal señal ruidosa es procesada, el nivel de ruido sobrepuesto sobre la señal de DPs supera la capacidad de procesamiento electrónico, lo que causa una serie de peaks en ubicaciones incorrectas.

DESCARGAS PARCIALES

48

Fig-3.5. Medición de DP On-line.

La figura 3.5 muestra una señal real de DP grabada desde una fase de una máquina rotatoria de 33 kV On-Line.

Como se puede ver el ruido oscurece alguna señal de DP que pudiera estar presente en la lectura. La habilidad para separar la señal del ruido depende de que cuán bién se conozca ésta, tal conocimiento podría incluir ancho de banda, forma de onda característica, etc.

Fig-3.6. Pulso de ruido y DPs.

DESCARGAS PARCIALES

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Señal de ruido original y señal producida por descargas parciales obtenida después del proceso de limpiado de la señal.

Cabe señalar que no hay nada normalizado en cuanto a mediciones de descargas en máquinas rotatorias, aún se están haciendo estudios, donde se consideran cada vez mas parámetros que influyen en el comportamiento del sistema de aislación de la máquina.

3.4 CRITERIOS DE EVALUACIÓN SEGÚN RECOMENDACIONES PARA

AISLANTES.

De la experiencia obtenida por el IIE, en evaluaciones de devanados en alta tensión tanto de motores como de generadores, se ha logrado establecer una relación entre los mecanismos de degradación con el nivel de descargas parciales. Esta relación coincide con los criterios de IERE y en consecuencia el análisis de los resultados de los motores se hace con referencia a estos criterios.

Tabla 3.1. Recomendaciones del IERE para evaluar un sistema aislante de acuerdo a su nivel de Descargas Parciales.

Q max (nC) (1.25 Vn) Estado del sistema aislante.

Q ≤ 10 En buenas condiciones.

10 < Q ≤ 30 En condiciones de continuar su operación.

Q >30 Es necesario llevar a cabo una inspección, y determinar el origen de

las DPs.

DESCARGAS PARCIALES

50

Capitulo 4. Medidas de aislación.

4.0 CONCEPTOS PREVIOS.

La confiabilidad de las máquinas eléctricas depende en gran parte de la calidad del

material aislante. El material de la aislación debe soportar condiciones de trabajo muy

árduas, tales como esfuerzos térmicos, eléctricos, ambientales y mecánicos, los cuáles

ocurren durante la operación de la máquina.

La falla repentina de una máquina que forma parte de un proceso productivo

significará la detención de éste, lo que implicará probablemente no cumplir con los pedidos

de productos, además contratiempos y costos asociados por reposición.

El poseer una herramienta de diagnóstico posibilita determinar el envejecimiento de

una máquina, optimiza su aprovechamiento, además, permite definir programas de

mantenimiento para cambiar aquellas bobinas cuyo aislamiento hubiera llegado al final de

su vida útil.

A continuación se presenta una técnica de prueba de los aislamientos de máquinas

eléctricas de baja y media tensión, utilizadas para la evaluación del envejecimiento de la

aislación y estimación de la posibilidad de mantener el equipo en servicio.

La técnica consiste en aplicar escalones de tensión a los devanados de las máquinas,

haciendo mediciones de corriente en función del tiempo y en función de la tensión aplicada.

4.1 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA DE AISLACIÓN. [4.1]

� Condición de la superficie: Materias extrañas, tales como carboncillo, polvo,

el cual cuando está seco no es conductor, pero húmedo se hace parcialmente

conductor, causando la disminución de la resistencia de aislación y el índice de

polarización. Un lavado y posterior secado de los devanados de la máquina para

remover la humedad puede llevar los valores de resistencia de aislación e índice de

polarización a valores adecuados.

DESCARGAS PARCIALES

51

� Efecto de la humedad: Si la temperatura del devanado está por debajo de la

temperatura de formación de rocío del aire ambiental, una delgada capa de humedad

se forma sobre la superficie de la aislación y disminuirá la resistencia de aislación y

el índice de polarización. Las máquinas en servicio generalmente están a una

temperatura que mantiene la aislación suficientemente seca, no así en las máquinas

fuera de servicio, las cuales deben ser calentadas para mantener la temperatura de

los devanados sobre el punto de formación de rocío.

� Efecto de la temperatura: La resistencia de aislación de la mayoría de los

materiales varía inversamente con la temperatura.

Para minimizar el efecto de la temperatura al comparar los valores de

resistencia de aislación es necesario que las pruebas se hagan a una misma

temperatura (sobre el punto de formación de rocío) o corregir los valores a una base

común de temperatura. El índice de polarización es poco afectado por la

temperatura y no requiere corrección por temperatura, por supuesto es necesario que

su determinación se haga a temperatura constante.

� Efecto de la magnitud de la tensión de prueba: La tensión de prueba debe

restringirse a valores tales que aseguren que la aislación no será dañada de alguna

forma, es recomendable llegar a una tensión aplicada entre fase y tierra con las otras

dos fases conectadas a tierra, que sea numéricamente igual al doble de la tensión

nominal entre fases de la máquina en cuestión.

El valor de la resistencia de aislación puede disminuir algo con el aumento

del voltaje aplicado. Con aislación seca y en buen estado de conservación este

efecto es pequeño, pero en otros casos, cuando la aislación esta húmeda, sucia o

presenta alguna fractura, la disminución es más pronunciada.

� Efecto de las cargas residuales: La medición de la resistencia de aislación

será errónea si existen cargas residuales en la aislación de los devanados. Por lo

tanto, antes de medir la resistencia de aislación o el índice de polarización, es

necesario que la aislación sea completamente descargada por un período de

alrededor de una hora.

DESCARGAS PARCIALES

52

4.2 ABSORCIÓN DIELÉCTRICA.

Al aplicar una tensión continua a la aislación de una máquina, la corriente resultante

consta de dos componentes: la primera fluye por la superficie de la aislación y la segunda

pasa a través del volumen de la aislación. [4.1]

En esta corriente volumétrica se distinguen tres corrientes.

� La corriente capacitiva, depende del tamaño y forma de la aislación, así

como del material que la constituye. Esta componente parte de un valor

máximo y cae a un valor despreciable en un tiempo comparativamente corto

y no afecta a las mediciones.

� La corriente de absorción está relacionada con las impurezas y con los tipos

de polarización involucrados, parte de un alto valor inicial y decrece hasta

llegar a un valor muy cercano a cero.

� La corriente de conducción, la cual junto con la que fluye por la superficie

de la aislación es casi constante. Estas corrientes predominan después que la

corriente de absorción se hace despreciable.

Fig- 4.1 Curvas típicas que muestran las componentes de la corriente. [4.4]

DESCARGAS PARCIALES

53

Ningún aislamiento es perfecto (su resistencia no es infinita), de modo que cierta

cantidad de electricidad fluye a lo largo del aislamiento o a través de él a tierra. Tal

corriente puede ser solo una millonésima de Amper (un microamper), pero es la base del

equipo de prueba de aislamiento. Un voltaje mas alto por ende tiende a ocasionar mas

corriente a través del aislamiento. Esta pequeña cantidad de corriente por supuesto no

dañaría un buen aislamiento, pero sería un problema si el aislamiento se ha deteriorado.

4.3 ÍNDICE DE POLARIZACIÓN.

Después de la aplicación de una tensión a la aislación de un devanado, la corriente

disminuye constantemente, esta disminución es bastante rápida al principio, pero puede

demorar horas en alcanzar su valor estable, particularmente si el devanado esta seco y en

buen estado, esto debido a que la corriente de absorción es predominante sobre la corriente

de conducción. Por otro lado, si el devanado esta sucio o húmedo, la corriente de

conducción será comparativamente más grande que la corriente de absorción, y la corriente

alcanzara su valor estable en corto tiempo.

El tiempo transcurrido desde la aplicación de la tensión hasta que la corriente llega a

su valor estable pueden ser horas, pero para efectos prácticos, se considera que su valor se

alcanza en 10 a 15 min. (estándar IEEE). El índice de polarización se define como la razón

entre la corriente medida en 1 min. a la medida en 10 min. [4.2].

4.4 MÉTODO DE ESCALON DE TENSIÓN.

El método consiste en aplicar escalones sucesivos de tensión, controlando su amplitud

y tensión, de modo que la corriente sea proporcional a la tensión aplicada. La corriente total

medida en una aislación sólida se puede describir como: [4.3].

ncac tEKiiiIt −∗∗+=+= (4.1)

Donde:

It : Corriente total medida.

DESCARGAS PARCIALES

54

ic : Corriente de conducción o corriente de fuga.

ia : Corriente de absorción.

K : Constante típica de cada estructura.

n : Constante de almacenamiento típica de cada material.

t : Tiempo transcurrido desde la aplicación de la tensión.

E : Tensión aplicada.

4.4.1 DIFICULTAD PARA LA EJECUCIÓN PRÁCTICA Y SOLUCIÓN.

Una posibilidad de medir este fenómeno consistiría en aplicar una tensión de

corriente continua y esperar hasta que los transientes hayan terminado. Se ha encontrado

que el tiempo total para que la corriente de absorción se haya extinguido sensiblemente

pueden ser varias horas.

Debido a que al realizar esta prueba interesa conocer el comportamiento de la

aislación para distintos valores de tensión aplicada, esta requeriría de mucho tiempo, ya que

antes de aplicar un nuevo escalón tendría que descargarse completamente la aislación de los

devanados.

Lo que en la práctica se hace es aplicar escalones sucesivos de tensión, de forma tal

que la corriente al final del nuevo escalón sea igual a la que hubiera existido al aplicar

durante 10 min. un escalón de magnitud igual a la magnitud resultante del nuevo escalón

sobrepuesto a los escalones anteriores.

4.4.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO.

Se aplica una tensión de corriente continua y se mide la corriente después de

transcurrido 1 min. , 3.16 min. y 10 min. sucesivamente. Las componentes de absorción

para 1 min. , 3.16 min. y 10 min., para un tiempo variable t serán,

DESCARGAS PARCIALES

55

naat tii −∗= 1 (4.2)

naa ii −∗= 10110 (4.3)

( ) naa ii −∗= 16,3116,3 (4.4)

Si se llama, I1, I3.16, e I10, los valores de corriente medidos en 1 min. , 3.16 min.

y 10 min. después de aplicada la tensión, la corriente de conducción queda.

( )

( )16.3101

216.3101

2 III

IIIic −+

−∗= (4.5)

Si se aplica un escalón de tensión de valor V1 y se mide la corriente total después de

10 min. , de acuerdo a la ecuación 4.1 su valor es:

( ) nescc KViIt −∗∗+= 1010 11 (4.6)

Si se aplica un escalón de tensión V1+V2 y se mide la corriente después de 10 min.

esta estará dada por:

( ) ( ) nesccesccT VVKiiI −∗+++= 1010 2121 (4.7)

Si se aplica durante 10 min. V1 y durante t2 min. V2, la corriente leída a los

(10+t2) min. será:

( ) ( ) nnesccescct tKVtKViitI −− ∗∗++∗++=+ 2221212 1010 (4.8)

igualando las ecuaciones (4.7) y (4.8) y simplificando se tiene:

DESCARGAS PARCIALES

56

nnn tVtVVV −−− ∗++∗=∗+ 222121 )10(10)( (4.9)

Para un tercer escalón de valor V3 y duración t3 se tiene la siguiente ecuación a

resolver:

( ) ( ) ( ) nnnn tVttVttVVVV −−−− ∗+++++=∗++ 33322321321 1010 (4.10)

La ecuación 4.9 permite calcular la duración del segundo escalón en función de las

magnitudes del primer y segundo escalón, para valor de n dado. La ecuación 4.10 permite

calcular la duración del tercer escalón en función de la duración del escalón anterior y las

variables V1, V2, n y t2.

A partir de la ecuación 4.11 se determina el valor del exponente n.

c

c

iI

iILogn

−−∗−=

1

1010 (4.11)

En resumen se aplican escalones crecientes de tensión de corriente continua de

acuerdo a un programa de duración de estos escalones, tomando lecturas de corriente total

al cabo de cada uno de ellos.

A continuación se presenta la tabla de valores de tiempo versus n.

Tabla 4.1 Valores de tiempo versus n

Escalón Kv n = 0,5 Promedio n = 0,7 Promedio n = 0,85 Promedio n = 1 Promedio n = 1,15 Promedio n = 1,3

N-1 Vi 10’ 10’ 10’ 10’ 10’ 10’ 10’ 10’ 10’ 10’ 10’

N-2 2Vi 16’ 40” 16’ 45” 16’ 50” 16’ 54” 16’ 58” 17’ 1” 17’ 5” 17’ 8” 17’ 11” 17’ 15” 17’ 18”

N-3 3Vi 21’ 46” 21’ 58” 22’ 10” 22’ 18” 22’ 27” 22’ 35” 22’ 44” 22’ 51” 22’ 59” 23’ 7” 23’ 15”

N-4 4Vi 25’ 57” 26’ 16” 26’ 35” 26’ 49” 27’ 3” 27’ 19” 27’ 30” 27’ 42” 27’ 55” 28’ 8” 28’ 21”

N-5 5Vi 29’ 30” 29’ 56” 30’ 23” 30’ 42” 31’ 1” 31’ 20” 31’ 39” 31’ 57” 32’ 15” 32’ 33” 32’ 51”

N-6 6Vi 32’ 36” 33’ 9” 33’ 43” 34’ 7” 34’ 32” 34’ 56” 35’ 21” 35’ 44” 36’ 8” 36’ 32” 36’ 55”

N-7 7Vi 35’ 21” 36’ 1” 36’ 42” 37’ 12” 37’ 42” 38’ 12” 38’ 42” 39’ 11” 39’ 40” 40’ 9” 40’ 38”

N-8 8Vi 37’ 50” 38’ 37” 39’ 25” 40’ 40’ 58” 41’ 10” 41’ 46” 42’ 20” 42’ 55” 43’ 30” 44’ 4”

N-9 9Vi 40’ 5” 40’ 59” 41’ 54” 42’ 34” 43’ 15” 43’ 55” 44’ 36” 45’ 16” 45’ 56” 46’ 36” 47’ 16” N-10 10Vi 42’ 10” 43’ 11” 44’ 12” 44’ 57” 45’ 43” 46’ 29” 47’ 15” 48’ 48’ 46” 49’ 32” 50’ 17”

DESCARGAS PARCIALES

57

4.5 CONTROL GRÁFICO DE LA PRUEBA.

En términos prácticos se lleva un control gráfico de la prueba, registrando sobre

papel logarítmico la corriente total durante los 10 min. que dura el primer escalón, y luego

sobre el mismo papel se hace una curva It versus tensión aplicada, cuyo primer punto es el

último de la curva anterior en el plano It versus tiempo.

Se determina el valor de n según ecuación 4.11, y con este valor se escoge el

programa de tiempos para los distintos escalones de tensión según tabla 4.1.

El aspecto de la curva It versus tensión aplicada es de máxima importancia, ya que

debe ser suavemente creciente, y cualquier quiebre de ella debe ser analizado

cuidadosamente.

4.5.1 CÁLCULO DE INCLINACIÓN DE LA CURVA.

En la curva de corriente en función de la tensión se toma como referencia su

pendiente para el primer escalón de tensión, y se analiza enseguida la pendiente para todos

los escalones siguientes refiriéndola al primer escalón.

escalon

onésimoEscaln

erV

edV

ed

e

1

Im

Im

∆∆

∆∆

= − (4.12)

Donde ∆I, es la variación de corriente por la variación de tensión V. Un aislamiento

que tenga un comportamiento perfectamente lineal para todas las tensiones tendrá un e=1.

En términos generales cuando en el desarrollo de una medición aparecen valores de e

mayores que 5 deben tomarse precauciones para evitar una falla del aislamiento.

4.6 CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE RESULTADOS.

� Índice de polarización: Un bajo valor del índice de polarización podría ser una

indicación de humedad en la aislación. Debe ser mayor a 2, un menor valor de este

índice inhibe la continuación de la prueba.

DESCARGAS PARCIALES

58

� Corriente de conducción: Medido en microamperes para la tensión del primer

escalón. Este valor puede compararse con pruebas anteriores efectuadas en la

misma máquina después de corregir ic por el factor de corrección por temperatura.

Para efecto de diagnóstico y comparación se define la corriente reducida como la

razón entre la corriente de conducción del primer escalón y el producto de la

magnitud del primer escalón de tensión y la capacidad del devanado, expresada en

miliamper / Volt-Farad. ( anexo 5).

� Corriente de absorción: Este parámetro se emplea como criterio para conocer el

envejecimiento de la aislación. La corriente de absorción, después de un minuto de

haber aplicado el escalón de tensión se calcula de la expresión:

ca iIi −= 11 (4.13)

Donde:

ia1 : Corriente de absorción en un minuto.

I1 : Corriente total en un minuto.

ic : Corriente de conducción para el primer escalón.

Para efectos de comparación se reduce expresándola en miliamper y dividiéndola por el

producto del valor de la tensión del primer escalón y la capacidad que presenta el

dieléctrico de la máquina.

Tabla 4.2 Uso de la corriente de absorción como criterio de envejecimiento.

Corriente de absorción ia1 en (mA/V-F) Estado de envejecimiento

1 Aislación nueva

2 a 5 Aislación usada

10 Aislación envejecida

DESCARGAS PARCIALES

59

4.7 CORRECCIÓN POR TEMPERATURA.

Los valores de corriente al igual que los de resistencia de aislación, son

fuertemente dependientes de la temperatura a que se hacen las mediciones, por lo

tanto deben corregirse para efectuar comparaciones.

Una posibilidad de hacer estas correcciones se obtiene mediante una serie de

medidas a distintas temperaturas, y haciendo una regresión sobre papel logarítmico

se puede obtener un gráfico para referir cualquier medición de corriente a un patrón

único.

4.8 ÍNDICE DE POLARIZACIÓN COMO INDICADOR DE HUMEDAD.

Si el índice de polarización se reduce a causa de la suciedad o de la excesiva

humedad, éste puede llevarse a un valor apropiado, lavando y secando la aislación. El

índice de polarización puede monitorearse para indicar si el proceso de secado debe

terminarse.

Fig- 4.2 Curva típica de secado. Lecturas de resistencia de aislamiento durante un

minuto cada cuatro horas. [4.4].

DESCARGAS PARCIALES

60

4.9 MEDIDAS DE AISLACIÓN EFECTUADAS.

4.9.1 PRUEBA N-1.

Tabla 4.3 Datos de la máquina bajo prueba.

Motor HP Volts Fase Insul.class.

Soplador N-1.

AA.HHs.

6000

13.8 kV Trifásico B

Tabla 4.4 Valores obtenidos en primer escalón.

Escalón de tiempo

Voltaje aplicado (Kv)

Fase 1 (µA) Fase 2 (µA) Fase 3 (µA)

15” 3.0 1.60 1.50 1.50

60” 3.0 0.65 0.70 0.60

3’10” 3.0 0.25 0.30 0.25

10’ 3.0 0.10 0.10 0.10

Tabla 4.5 Análisis por fase, primer escalón.

Datos Fase 1 Fase 2 Fase 3

Capacidad (µF) 0.063 0.063 0.062

ic (µA) 0.01 0.1 0.0125

ic red.(mA/V-F) 0.029 0.529 0.067

ia (µA) 1min. 0.64 0.6 0.5875

ia red.(mA/V-F) 3.34 3.17 3.16

I.P. 6.5 7.0 6.0

Exponente de absorción.

DESCARGAS PARCIALES

61

.8519.001.065.0

01.01.0log =

−−−=n

Tabla 4.6 Valores obtenidos al aplicar escalones sucesivos.

Escalón N° Tiempo Volts (Kv) I1 (µA) e I2 (µA) e I3 (µA) e

1 10’ 3.0 0.10 1.0 0.10 1.0 0.10 1.0

2 16’58” 6.0 0.30 2.0 0.30 2.0 0.30 2.0

3 22’27” 9.0 0.40 1.0 0.40 1.0 0.40 1.0

4 27’3” 12.0 0.50 1.0 0.60 2.0 0.50 1.0

5 31’1” 15.0 0.75 2.5 0.70 1.0 0.70 0.2

4.9.2 Control gráfico de prueba N-1.

DESCARGAS PARCIALES

62

4.9.3 PRUEBA N-2.

Tabla 4.7 Datos de la máquina bajo prueba.

Motor HP Volts Fase Insul.class.

Condensador sincrónico

12.200

13.8 kV Trifásico B

Tabla 4.8 Valores obtenidos en primer escalón.

Escalón de tiempo

Voltaje aplicado (Kv)

Fase 1 (µA) Fase 2 (µA) Fase 3 (µA)

15” 3.0 4.80 4.50 4.40

60” 3.0 1.40 1.40 1.40

3’10” 3.0 0.54 0.53 0.53

10’ 3.0 0.28 0.29 0.26

Tabla 4.9 Análisis por fase, primer escalón.

Datos Fase 1 Fase 2 Fase 3

Capacidad (µF) 0.078 0.078 0.078

ic (µA) 0.167 0.198 0.1385

ic red.(mA/V-F) 0.7136 0.846 0.592

ia (µA) 1min. 1.233 1.2 1.26

ia red.(mA/V-F) 5.27 5.13 5.38

I.P. 5.0 4.83 5.38

Exponente de absorción.

0.1167.04.1

167.08..0log =

−−−=n

.

DESCARGAS PARCIALES

63

Tabla 4.10 Valores obtenidos al aplicar escalones sucesivos.

Escalón N° Tiempo Volts (Kv) I1 (µA) e I2 (µA) e I3 (µA) e

1 10’ 3.0 0.28 1.0 0.29 1.0 0.26 1.0

2 17’8” 6.0 0.50 0.78 0.46 0.58 0.45 0.73

3 22’51” 9.0 0.75 0.89 0.74 0.96 0.70 0.96

4 27’42” 12.0 1.10 1.25 1.10 1.24 0.98 1.07

5 31’57” 15.0 1.40 1.07 1.30 0.689 1.30 1.23

6 35’44” 18.0 1.60 0.71 1.55 0.86 1.45 0.57

4.9.4 Control gráfico de prueba N-2.

DESCARGAS PARCIALES

64

4.9.5 PRUEBA N-3.

Tabla 4.11 Datos de la máquina bajo prueba.

Motor HP Volts Fase Insul.class.

Motor 8700 LPF

8700

13.8 kV Trifásico B

Tabla 4.12 Valores obtenidos en primer escalón.

Escalón de tiempo

Voltaje aplicado (Kv)

Fase 1 (µA) Fase 2 (µA) Fase 3 (µA)

15” 3.0 2.00 2.60 1.80

60” 3.0 1.20 1.10 0.90

3’10” 3.0 0.60 0.40 0.50

10’ 3.0 0.30 0.20 0.20

Tabla 4.13 Análisis por fase, primer escalón.

Datos Fase 1 Fase 2 Fase 3

Capacidad (µF) 0.0785 0.0787 0.078

ic (µA) 0 0.12 0.70

ic red.(mA/V-F) 0 0.5 2.99

ia (µA) 1min. 1.2 0.98 0.2

ia red.(mA/V-F) 5 4.15 0.85

I.P. 4.0 5.5 4.5

Exponente de absorción.

60.00.020.1

0.03.0log1 =

−−−=n ; 0.1

12.01.1

12.02.0log2 =

−−−=n ; =

−−−=

7.09.0

7.02.0log3n φ

DESCARGAS PARCIALES

65

Tabla 4.14 Valores obtenidos al aplicar escalones sucesivos.

Escalón N° Volts (Kv) Tiempo I1 (µA) e Tiempo I2 (µA) e Tiempo I3 (µA) e

1 3.0 10’ 0.30 1.0 10’ 0.20 1.0 10’ 0.20 1.0

2 6.0 16’40” - - 17’8” 0.30 0.49 16’40” 0.50 1.50

3 9.0 21’46” 1.10 2.0 22’51” 0.80 2.50 21’46” 1.00 2.50

4 12.0 25’57” 1.50 1.30 27’42” 1.20 1.90 25’57” 1.40 1.99

5 15.0 29’30” 1.70 0.60 31’57” 1.80 3.0 29’30” 1.90 2.50

4.9.6 Control gráfico de prueba N-3.

DESCARGAS PARCIALES

66

4.10 CONCLUSIONES SEGÚN CRITERIOS DE EVALUACIÓN.

Las conclusiones que se muestran a continuación son aplicables a las tres pruebas

N-1, N-2 y N-3.

� El índice de polarización en las tres fases de cada máquina indican una aislación en

buen estado (bastante seca), apta para realizar las pruebas.

� El criterio de evaluación de resultados según ic.red, no es posible aplicarlo, por no

contar con datos de anteriores pruebas. Se determino con el objeto de dejarlo como

dato histórico.

� Las corrientes de absorción ia red de las tres pruebas realizadas indican según la

tabla [4.2 ], que se está en presencia de aislaciones usadas.

� El valor de e en las tres fases de cada máquina indican una aislación en buen estado

según criterio rápido de evaluación (anexo 5).

� Del control gráfico de las pruebas, se concluye que la aislación está en buen estado,

ya que en las curvas de las distintas fases no se observan cambios bruscos de

corriente.

4.11 INSTRUMENTOS UTILIZADOS PARA REALIZAR LAS PRUEBAS.

� Generador Electroestático de alta tensión, de corriente continua, marca

HIPOTRONICS, modelo 800 PL serie.

� Multitester Fluke 87.

� Contador de tiempo digital.

4.12 ESTRATEGIA DE MANTENIMIENTO.

Las cada vez mayores exigencias de competitividad a las que se ve sometida la

industria han repercutido directamente en la evolución del mantenimiento aplicado a los

equipos eléctricos de alta tensión.

DESCARGAS PARCIALES

67

Son muchos los esfuerzos que se están realizando orientados hacia lograr los

objetivos de aumento de la disponibilidad de los equipos y reducción de fallas

intempestivas, los que además deber ser alcanzados con una optimización del binomio

calidad/costo de mantenimiento.

Los continuos avances tecnológicos registrados en la última década han permitido el

desarrollo de nuevas herramientas de diagnostico del estado de equipos, potenciando el

mantenimiento predictivo.

La evolución de las técnicas de mantenimiento ha ido siempre en concordancia con

las evoluciones tecnológicas que ha permitido incrementar significativamente el

aprendizaje acerca del comportamiento degenerativo interno de los equipos que hace tan

solo unos cuantos años era prácticamente desconocido.

Cabe destacar la idea de que el mantenimiento tiene como principal función hacer

que los sistemas no se averíen y que además permanezcan en operación durante el mayor

tiempo posible.

Los equipos o sistemas, aparte de presentar su lógico envejecimiento por progresivo

deterioro de sus cualidades, pueden fallar como consecuencia de otras causas externas, que

son las más difíciles de evitar.

El conocimiento del estado de los equipos, por tanto, permitirá definir

intervenciones o no en éstos con el fin de lograr los objetivos del mantenimiento.

La introducción en el mercado de nuevas herramientas predictivas de diagnostico, como

consecuencia del progreso de los avances tecnológicos está respondiendo adecuadamente a

las exigencias actuales de mantenimiento. Estas técnicas predictivas tienen como filosofía

realizar intervenciones únicamente cuando sea necesario. La conjunción de esta idea con la

del mantenimiento basado en la fiabilidad de los equipos permite optimizar los costos y

desde luego, reducir la tasa de fallas.

DESCARGAS PARCIALES

68

4.13 SOLUCIONES PRÁCTICAS.

El estado de la aislación de los equipos eléctricos es sin duda una de las principales

preocupaciones en el área de mantenimiento de las máquinas eléctricas, en particular

motores y generadores de media tensión y gran potencia.

El ingeniero de mantenimiento dispone de una variedad de recursos experimentales que le permiten determinar el estado general en que se encuentra el aislamiento de dichas máquinas, pero en el caso de encontrar aislaciones que presenten un comportamiento anormal en las pruebas difícilmente el método utilizado indicará donde esta exactamente radicado el problema, solo la experiencia, los antecedentes históricos del equipo, la combinación de uno o más ensayos permitirán determinar el manejo o solución que se de en cada caso.

Los aislantes normalmente son afectados por agentes externos o del medio tales

como la contaminación y humedad y por el envejecimiento propio de los materiales que lo

constituyen, envejecimiento que se puede ver afectado seriamente por el estrés térmico y

electromagnético al que sea sometido el equipo durante su vida útil. No menos importante

es la correcta ejecución de los trabajos de confección de bobinas y montajes de ellas, este

solo hecho ya garantiza una larga vida de trabajo a un motor o generador.

El correcto análisis de los resultados de un ensayo al que ha sido sometida una

máquina permitirá determinar que otras pruebas deben realizarse para focalizar mejor el

problema y establecer las acciones posibles de ejecutar para mejorar la condición del

equipo.

Normalmente la primera prueba que se realiza a una máquina eléctrica es la medida

de aislación para 1 y 10 minutos, con ello es posible determinar el índice de polarización el

cual permite en una primera aproximación conocer el estado de sus aislantes. Si el índice

de polarización no es satisfactorio o se desea saber un poco más del estado del equipo se

puede recurrir al ensayo de los escalones de tensión continua, prueba que aplicada en

forma correcta aportará información suficiente acerca del estado del equipo y permitirá

DESCARGAS PARCIALES

69

establecer un buen diagnóstico y decidir sobre las acciones correctivas que se puedan

aplicar.

Como se ha establecido anteriormente, una de las causas de fallas prematuras de los

materiales aislantes, son las descargas parciales, cuando éste es el caso ellas afectarán en

mayor medida a las bobinas que se encuentran sometidas a mayor potencial. Si se divide un

bobinado en sectores o grupos y se realiza una medida controlada de aislación o aún mejor

si se aplica la prueba de escalones de tensión continua a cada uno de los sectores del

bobinado, se tendrá con plena seguridad que el índice de polarización de la aislación y

todos los otros indicadores del estado de las aislaciones serán mejores en el grupo que

corresponda a los niveles de voltaje más bajos o cercanos al neutro. De aquí que una

solución simple y eficaz sea invertir las conexiones de los grupos para dejar las bobinas con

aislación más envejecida sometida a niveles de tensión menor.

Si el resultado de las pruebas indica igualdad o similitud en todos los grupos, es

muy probable que se este en presencia de un bobinado con problemas constructivos y es

muy probable que tenga cavidades internas donde se desarrolla un proceso de descargas

parciales, en este caso es posible obtener alguna mejoría en su condición realizando un

proceso de reacuñamiento. Este trabajo consiste en retirar las cuñas existentes y

reemplazarlas por otras de mayor espesor o en su defecto suplir con material aislante

adicional, para lograr un mayor apriete y de esta forma eliminar las cavidades desplazando

el aire contenido en ellas. Cave destacar que este fenómeno se presenta regularmente en

equipos con muy poco uso o relativamente nuevos por defectos constructivos como ya se

mencionó.

Uno de los problemas que actualmente no tiene solución práctica es la forma de

ubicar con cierta precisión el lugar donde se encuentra el o los puntos de las aislación más

deteriorados. Existen métodos que utilizan sofisticados sistemas de monitoreo con sensores

de emisión electromagnética o ultrasonido, bobinas exploradoras y filtros, que permiten

registrar los fenómenos que se producen al interior de una máquina en condiciones

normales de operación. Toda está información es analizada computacionalmente y

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comparada con bases de datos que poseen los fabricantes de estos equipos de medición para

realizar los diagnósticos.

Un método práctico, sencillo y fácil de realizar por cualquier especialista en

máquinas eléctricas consiste en una prueba de efecto corona a la máquina para visualizar

las descargas parciales superficiales, con la ayuda de un marcador se dejarán señalizado los

puntos donde aparece el efecto corona, para poder a continuación analizar cada uno de los

puntos, estos pueden ser entre bobinas de distinta fase o entre bobinado y el núcleo. Otro

indicador de esta prueba es la tonalidad de la aura o corona que se observe, cuando el daño

en la aislación es leve será blanco e irá cambiando de color hasta llegar al naranjo o rojizo

cuando hay daño o aislación comprometida.

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CONCLUSIONES

� El conocimiento de la teoría de las descargas parciales ayuda a conocer el fenómeno

y sus efectos sobre la aislación de los equipos eléctricos.

� En lo respecta a transformadores, las descargas parciales están en directa relación

con la corrosión química y mecánica en el interior del aislante.

Las pruebas expuestas para detectar descargas parciales en transformadores, se

valen de los fenómenos que éstas producen, tales como gases disueltos en el aceite

aislante detectado por un análisis cromatografico, y ondas de ultrasonido las que son

detectas por sensores ubicados en la cuba del transformador.

� Los métodos para detectar descargas parciales en máquinas rotatorias, pueden ser

aplicados de acuerdo a si el equipo al cual se le realizará la prueba presenta la

facilidad para aplicarle un método.

La prueba OFF-LINE es aplicable a motores y generadores los cuales pueden estar

fuera de servicio durante el período que dure la prueba.

El método ON-LINE se presenta como alternativa del método OFF-LINE, aplicable

a motores y generadores los cuales por su importancia estratégica no pueden salir de

servicio.

� El método de escalones de tensión de corriente continua entrega importantes

parámetros, los cuales mediante la aplicación de los criterios de evaluación propios

del método pueden diagnosticar el estado de las bobinas de motores y generadores.

Los resultados de éstas pruebas ayudan a determinar las posibles soluciones

prácticas al problema de aislación que se presente.

Se constató además en las pruebas realizadas a un grupo de motores, que éstos se

encontraban con su aislación en buen estado, lo cual convierte a esta prueba en una

herramienta conveniente de ser usada para un plan de mantenimiento predictivo.