9.1.- Generalidades y principios
Tal como de analizó en el capítulo Nº 5, “Incidencia de las sobretensiones en la vida del transformador” es reconocido entre los especialistas la importancia de éstas a nivel de descargas parciales para apreciar el buen funcionamiento de las aislaciones.
También desde la aparición de la alta tensión o su afectación en las aislaciones, gracias al inventor Nicolas Tesla, se evaluó como atributo de calidad de un aislante, su homogeneidad y por consiguiente se responsabiliza a las ocluciones gaseosas en los sistemas de aislación, como principal causa de falla de un aislante cuando es sometido a campo eléctrico por largo tiempo, siendo la DP un vector que se superpone a otros fenómenos en el acortamiento de la vida de un aislante en servicio.
El caso de los polietilenos extruidos en cables, los aparatos encapsulados en epoxi, caso de transformadores secos o en aislaciones de celulosa y aceiteLa medición de DP para detectar defectos en el proceso de fabricación, está claro que para detectar la existencia de burbujas en el seno de la aislacion, cobra singular importancia la medición de las DP, y se usa como ensayo de recepción de equipos de AT.
Recientemente se está incluyendo este ensayo para ser ejecutado dentro de los controles de mantenimiento especialmente para unvestigar cunfo otros métodos como los Análisis de Gases Disueltos indican la presencia de este fenómeno, y también para detectar alteraciones de la aislación de un equipo y actualmente se esta usando en grandes máquinas como monitoreo durante el servicio.
9.2.-Descripción del Fenómeno
Los vacíos ocluidos en el sistema de aislación de un aparato eléctrico, se encuentran sometidos a un fuerte esfuerzo eléctrico, tanto del sólido adyacente como del propio medio líquido aislante. Si consideramos en una placa aislante una cavidad de vacío o gas, en serie con la aislación sometida a un esfuerzo eléctrico promedio E y teniendo como constante dieléctrica Є, podemos pasar a interpretar el fenómeno de modo tal de obtener las expresiones matemáticas que se aproximan al fenomeno físico.
A0
Є E d0 d C1
Grafico del alveolo Vacio o Gas C3
v
0 C0 . VCapacidad del alveolo C0 = Є0 *A0 /d0 C2
Capacidad serie C1 y C2 C12 = Є *A0 /d
La idealización de las formas del alveolo que presentamos permitirá arribar a una expresión matemática que permita evaluar el fenómeno de la D.P. en función de mediciones indirectas y las comparaciones de los espectros de las mismas. En el análisis se supone que el campo eléctrico en la zona del alveolo es uniforme y paralelo, pero en realidad, la propia discontinuidad produce deformaciones de las líneas de campo electrico modificando las ideales, es por ello, que ésta técnica es de comparación, análisis y diagnóstico.
9.3.-Los valores de las Descargas
El valor de la tensión que aparece el el alveolo (
v
0)
es función directa de la tensiónaplicada al material (
v).
Utilizando la constante dieléctrica relativa del material Є1 = Є/ Є0v
0=
V * Є1* d0 / (Є1 *d0 + d) . Del mismo modo tenemos la tensión aplicada (V).
V = v
0 /d0 ( d0 + d/ (Є1 )Al crecer la tensión aplicada en el alveolo también irá creciendo y como en el interior del mismo hay gas a presiones bajas o altas, la resistencia dieléctrica será facilmente rota dentro de las modalidades conocidas de los mecanismos de descargas en gases cumpliendo la ley de Paschen de las presiones, en una descarga tipo avalancha con duración de 10-8 o 10-7 μs forma doble exponencial con carga total ΔQ.
El valor de la carga en cada disrrupción será el salto de tensión Δ
v= v
0 –v
r , dondev
r esla tensión residual después de la descarga, que usualmente cae al valor nulo. La carga de la disrrupción será:
ΔQ = Δ
v
* C0 * C12 //( C0 * C12 )Bajo condiciones normales C12 << C0 <<C3 y la fórmula se reduce a: ΔQ = Δ
v
* C12 = Є1 Δv
*A0 /dLa energía de la D.P. será :
ΔW = ½ * C12 (Δ
v
)2A partir de estas fórmulas vemos que se puede expresar este fenómeno en forma cuantitativa y son usuales las unidades, tales como; pico-Colomb; micro-Watt; o mili- Volt para evaluar la cantidad medida.
9.4.-Evaluación y medición de las Descargas Parciales
Vemos que si aplicamos al aislante una tensión de excitación, que varía en el tiempo al llegar la tensión en el alveolo al valor de disrrupción, ésta se produce descargando las placas de capacitor C0, quedando el mismo en condiciones de realizar un nuevo ciclo de carga y descarga. El resultado de aplicar una tensión con derivada finita será una sucesiòn de descargas cuya aplitud y período dependen de la tension aplicada y de la naturaleza del alveolo en cuestión,.
Para evaluar lo que sucede en el aislante se aprecian magnitudes, tales como amplitud de las descargas y el número de descargas que aparecen en un tiempo dado. El especialista y
las normas para estimar lo que sucede en el aislante, tendrán en cuenta varios parámetros, como son:
Parámetros evaluativos
• Nivel de tensión de incepción o aparición.
• Amplitud y formas de las descargas. • Numero de descargas en un período
dado.
• Ubicación relativa en el ciclo • Evolución a lo largo del tiempo • Nivel de tensión de apagado • Sensibilidad a la tensión exitadora Para el estudio de las descargas parciales se hace importante su visulizacion a través de la detecciòn de los picos de radiofrecuencia y la medición de su amplitud y posición relativa en el tiempo. La detecciòn se realiza a través de amplificadores de rediofrecuencia, conectados a través de capacitores o transformadores de radiofrecuencia.
Existe también la posibilidad de detectar las descargas por la vía acústica mediante detectores ultrasonicos, lo interesante de ésta técnica es que permite la triangulación interpolando los tiempos y la velocidad del pulso en el interior del transformador, pudiéndose inducir el lugar de procedencia de las descargas. Las mediciones en corriente alterna permiten el análisis de las figuras que se obtienen, superponiéndola sobre la propia senoide o presentando las descargas sobre una elipse que simboliza un ciclo completo en forma circular.
El especialista interpreta lo que sucede en el aislante, mediante, el análisis de la. repetición estadística de los pulsos, por el ángulo o la amplitud de la DP
DESCARGAS PARCIALES EN PULSO DE TENSION
-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,1 0,2 0 ,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 ,8 0,9 T IEM PO TE N S IO N D ES C A R GA S P A R C I A LES EN S EN OI D E -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 T I E M P O Vapl Vo Diagrama eliptico
DESCARGAS PARCIALES SUCESIVAS
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 1 2 3 4 5 T e n s i ó n Tiempo v0
9.5.-La medición de las Descargas Parciales
La medición es muy delicada debido que se utilizan amplificadores de muy alta ganancia que amplifican señales de todo tipo, y entonces se debe recurrir a métodos que permitan discriminar cuando un pico es realmente una DP, son perturbaciones de radiointerferencia o descargas de efecto corona en aire.
Existe voluminosa literatura para la interpretacion de estas mediciones y así como también para la ejecución de los ensayos. Para realizar tanto una buena medición como un buen diagnóstico, es conveniente recurrir a las mormas internacionales, tales como IEC 60270 o IEEE C 57.113.
Veamos algunos diagramas elipticos y sus diagnosticos tipicos
Descarga sistematica Cavidad metalica ydielectrica Ojeto a potencial flotante
Efecto corona en aire Efecto corona en aceite
9.6.-Distorsiones más usuales que generan inconvenientes durante las mediciones.
Interferencia de captación proveniente de los aparatos de ensayo de otra instalación de AT, de ondas electomagnéticas de señales de radio, o descargas inducidas.
Interferencia del circuito de prueba proveniente de la fuente de AT, de líneas de AT, de condensadores de acoplamiento, terminales y pasantes de los cables, o disparo de los tiristores de las fuentes controladas electronicamente.
Ruidos de contactos que pueden ser del circuito de prueba, del terminal del condensador, ruido del contacto de la puesta a tierra del transformador, mal contacto en el extremo semiconductor y la vaina metálica y muchos efectos más.
9.6.-Observaciones en los ensayos
Durante los ensayos y mediciones de descargas parciales, deberán ser observados distintas evoluciones de las mismas. Es asi como el análisis del comportamiento frente a la modificación de distintos parámetros permite al especialista evaluar el estado de la aislación, estos elementos son;
Evolución de DP frente al aumento de tensión
Variación de las D.P. a lo largo el tiempo de aplicación de la tensión La el valor de tensión de incepción ( encendido de la DP )
Las el valor de la tensión de apagado de las DP La ubicación angular en la sinusoide.
El especialista deberá evaluar y diagnosticarlo que sucede en la unidad, según el caso que se analiza aplicando también, otros elementos de diagnóstico.
Presentación de ensayos reales.
El caso que presentamos se trata de un transformador de 100 MVA 500kV que tenía el D.I.L muy justo y problemas de materiales inconvenientes usados en su manufactura
En caso de disponerse de múltiples captores puede ensayarse la localización de las DP a trabajando con la matriz de transferencia de un pulso conocido sobre cada uno de los bornes de la unidad, esto permite la incidencia que tiene en cada uno de los captores posee frente al pulso que se produce en el interior de la máquina, veamos un ensayo real.
Grafico de. distribución bidimencional de impulsos de DP en el transformador T7, fase T (nivel detectado por el sensor instalado en el aislador de 500kV, 400pC9
Grafico de la distribución tridimencional de impulsos de DP en el aislador de 500kV del transformador T7, fase T.
9:7.-Localización Acústica
Otra técnica complementaria a la anterior, que se está usando con éxito para resolver la localización en algunos casos, es la utilización de sensores de ultrasonido (mínimo tres) distribuidos criteriosamente, esto permite ensayar con relativo éxito su ubicación, es más exitoso cuanto mayor y más concentrada es la DP.
Veamos un caso real con tres sensores
Los sensores acústicos, en nuestro caso usamos sensores Physical Acoustics R15I con preamplificador incorporado, se pueden detectar descargas dentro de los equipos. Estas producen una onda de presión que se propaga por el aceite a una velocidad ~ 1400 m/seg., o 14 cm/100us. 0 90 180 270 360 0.032 0.150 0.708 3.350 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Pu lse p er Cycle [Deg.] [V]
Ubicando sensores en distintos puntos de la cuba se puede triangular el origen de la descarga usando equipo especial. Cuando se dispone solo de un osciloscopio, o de un registrador con funciones más limitadas, se puede mover los sensores hasta obtener una buena señal.
En la figura 1 se puede ver un registro de señal de dos sensores. El designado como “acústico 1” recibe la señal antes que el segundo –unos 300us- por lo que está más cerca de la descarga. En la foto se ven tres sensores colocados en la parte inferior de la cuba de un transformador acorazado (shell type) que “ve” la parte inferior de la bobina. En esta posición se ha captado señal acústica. En la Foto 1 siguiente se ve un sensor con el soporte magnético en detalle.
Foto 2. Sensor con soporte magnético .