Descargas parciales

Por más cuidadoso que sea el proceso de fabricación del aislamiento de los devanados del estator, es imposible que la resina de impregnación de las cintas aislantes penetre y llene perfectamente todo el volumen del aislamiento por lo que siempre quedará una cantidad de huecos pequeños dentro del mismo. Cuando el

Página 36 aislamiento eléctrico del devanado es sometido a la tensión de operación del generador, en aquellos huecos donde se alcance a través de ellos un nivel de tensión de aproximadamente 3 kV/mm, se romperá dieléctricamente el aire contenido en ellos y se producirán descargas parciales [1].

Las descargas parciales originadas en el semiciclo positivo de la tensión serán de polaridad negativa y las que se originen en el semiciclo negativo de la tensión serán de polaridad positiva. La magnitud de las descargas parciales depende del tamaño de los huecos, mientras más grandes sean los huecos, mayor será la magnitud de las descargas parciales. La unidad de magnitud de las descargas parciales en pruebas fuera de línea realizadas en CFE es el picocoulomb, pC. Aun los devanados nuevos nacen con una cantidad de descargas parciales internas del orden de algunos miles de pC, generalmente de 2 a 3, dependiendo del equipo de medición y su calibración, en pruebas fuera de línea.

En condiciones no severas de operación de un generador, es decir, sin aflojamiento de los devanados, sin arranques y paros muy frecuentes, sin cambios bruscos y fuertes de carga y sin temperaturas excesivas, se espera que el aislamiento se vaya degradando gradualmente a lo largo de muchos años, apareciendo más huecos y los existentes haciéndose cada vez mayores. Sin embargo, ante la ocurrencia frecuente de los factores de degradación antes mencionados, la aparición de huecos y daños en diferentes puntos del sistema de aislamiento se acelera, con lo cual aumenta la cantidad y magnitud de las descargas parciales.

Por esta razón, se considera que las descargas parciales son un síntoma y no la causa de la degradación del aislamiento. Sin embargo, una vez que las descargas parciales se presentan en gran cantidad y magnitud, su acción contribuye a acelerar la degradación del aislamiento. En las pruebas fuera de línea se miden la magnitud y el patrón de distribución de las descargas parciales respecto a una

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Página 37 onda senoidal de referencia con lo cual se trata de determinar el grado de la degradación y su probable localización en el sistema de aislamiento.

La correcta interpretación de estos patrones de descargas parciales requiere mucha experiencia en este tipo de pruebas. En las máquinas eléctricas rotativas, existen numerosos sitios donde se pueden presentar descargas parciales. El diseño de la máquina, los materiales de construcción, los métodos de fabricación, las condiciones de uso y mantenimiento afectan directamente la cantidad, la ubicación, las características, y evolución de las descargas parciales.

Aunque hay muchas fuentes potenciales de descargas parciales, se debe tener en cuenta que no existe en la actualidad ninguna tecnología que pueda analizar los patrones de las descargas parciales y determinar la fuente exacta que origina la descarga parcial. A pesar de que algunos defectos producen patrones fácilmente identificables, pueden coincidir en parte con otros factores que contribuyen a la falla. Este tipo de situaciones complica la interpretación precisa de los patrones de las DP´s.

Efectos de las descargas parciales

Las descargas parciales ocasionan: - Degradación interna.

- Degradación superficial (tracking).

- Calentamiento en las áreas en donde se presentan las descargas.

- Erosión mecánica de las superficies del aislamiento por bombardeo iónico.

Para la detección de DP, se aprovechan sus efectos

- Pulsos de corriente (Método eléctrico) - Zumbido (Método acústico)

Página 38 - Rayos ultra violeta (Método óptico)

- Olor a ozono (monitoreo de la concentración de ozono)

En el diagnóstico de generadores, se utiliza el método eléctrico para medir las DP´s y se aprovechan sus efectos óptico, acústico y el olor a ozono para tratar de ubicarlas. Para las pruebas de diagnóstico en la CFE, el método empleado es el método eléctrico que será tratado a continuación.

Métodos de medición

Las distintas técnicas para la medición de descargas parciales, difieren según los medios o dispositivos empleados para la captura y cuantificación de las señales, y también de acuerdo a la finalidad o motivos de la medición como búsqueda de defectos puntuales, monitoreo preventivo, criterios de aceptación y/o rechazo y evolución de la degradación. Los métodos eléctricos, mediante acoplamiento capacitivo, son empleados para determinar condiciones normalizadas de aceptación o rechazo, búsqueda y análisis de defectos.

El método eléctrico es el único método capaz de cuantificar en unidades de DP (pC) el resultado final de una medición. Para obtener el resultado de una medición, expresado en unidades normalizadas de carga aparente (pC), es necesaria siempre una etapa previa de calibración del sistema, mediante la inyección de una carga denominada patrón. La denominada carga “aparente” (no verdadera), tiene

su origen en el hecho de que resulta imposible medir estas magnitudes en el lugar de origen del defecto (interno en un aislamiento), y por lo tanto solo se limita a cuantificar el efecto o mejor dicho la diferencia de potencial, que dicha descarga interna produce en bornes del sistema de medición (extremos del objeto bajo

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Calibración

El objetivo de la calibración, es el de verificar que el sistema de medición, será capaz de cuantificar correctamente, en amplitud y en fase, la magnitud de la DP a medir, de acuerdo a una cantidad considerada como patrón, expresada en pico- coulombs (pC). Esta magnitud patrón será provista por un instrumento específicamente contrastado según lineamientos de IEC 60270, denominado Calibrador (de 0 a 100 pC). La etapa de calibración debe ser realizada siempre en forma previa al energizado del sistema, y luego de verificados y conectados todos los elementos que intervienen en el circuito de ensayo, (muestra, fuente, accesorios, etc.), debido a que cada elemento tendrá un impacto sobre la carga aparente a registrar.

Una nueva calibración deberá ser realizada, cada vez que se efectúe una nueva medición bajo distintas condiciones. El pulso de calibración debe ser inyectado ubicando el calibrador lo más cerca posible de la muestra. La magnitud del pulso de calibración a inyectar, deberá ser seleccionada, en el orden más cercano posible al nivel de DP que se espera medir en la muestra bajo ensayo (50% a 200% de la magnitud especificada de DP, según la IEC 60270).

En caso de ruidos o interferencias que impidan la visualización del pulso patrón sobre la pantalla del medidor, se deberá fijar un valor de inyección de por lo menos un orden mayor al ruido ambiente, por ejemplo 100pC para el caso de un ruido ambiente de 50pC. Una vez finalizada la calibración del sistema, se debe desconectar y retirar el calibrador, antes de proceder a realizar la prueba. Se debe repetir la calibración cada vez que se realice una modificación en el sistema, ya sea en la fuente de alta tensión, cables de conexionado, tierras auxiliares u otro ajuste necesario del detector de DP. A continuación se describen los conceptos para la medición de las DP´s:

Página 40 Magnitud de la carga aparente medida a la tensión de fase a tierra: La medición de esta variable nos determina la actividad por descarga parcial presente a la tensión de operación de la maquina. Se deben de comparar los resultados entre fases individuales, así como con los datos registrados para unidades similares o con respecto a los obtenidos en fábrica. En caso de no tener referencia alguna con respecto a esta prueba, los resultados obtenidos serán el punto de partida para futuras evaluaciones.

Tensión de inicio de la descarga parcial: En tanto mayor sea la magnitud de esta variable con respecto a las otras fases y/o máquinas similares, mejor será la condición actual del sistema aislante que se esté probando.

Tensión de extinción de la descarga parcial: En condiciones normales, la magnitud de este valor es ligeramente menor o igual a la tensión de inicio de la descarga parcial.

2.4.1 Resumen de la prueba

- Las mediciones se realizan fase por fase, una bajo tensión y las otras 2 referidas a tierra, en base al circuito de medición mostrado en el anexo, acoplado capacitivamente el detector de descargas parciales, como se muestra en la figura del anexo.

- Una vez configurado el circuito de prueba, conservando la misma configuración que en pruebas anteriores, se procede a la calibración del sistema de medición, aplicando un pulso de 1,000 pC. Es recomendable efectuar la medición utilizando un amplificador de banda ancha de 20 kHZ a 200 kHZ y un capacitor de bloqueo de 10 nF, adicional a la medición anterior en caso que se haya utilizado diferente capacitor y ancho de banda del amplificador. No olvide quitar el calibrador de baja tensión antes de energizar la fuente.

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Página 41 - En casos especiales y para máquinas cuyo neutro no está accesible se puede realizar una medición simultanea de las tres fases siempre y cuando la potencia nominal de la fuente sea suficiente.

- Probar el circuito de medición en vacío con un capacitor libre de descargas parciales como carga para garantizar que el circuito de medición no contribuye en la aportación de la descarga parcial medida.

- El nivel de disturbio mínimo presente en el circuito de medición aceptable para la

realización de la medición de DP’s debe de ser máximo el 50% de la magnitud de

descarga parcial esperada en el objeto bajo prueba.

- Como la magnitud de la DP puede cambiar con el tiempo, para cualquier método de medición, se debe de realizar un pre-esfuerzo de electrificación a la tensión de prueba, por un intervalo de 10 minutos para la estabilización de las mediciones, registrando la tensión de inicio de la DP, y observando que el incremento de la DP se mantenga dentro de los márgenes de seguridad del sistema aislante que se trate.

- Se registra el valor de la carga aparente máxima y mínima obtenida en cada escalón de 0.5 kV o 1 kV. La tensión de prueba recomendada para devanados en mantenimiento es 1.25 veces la tensión de fase a tierra y de hasta 100% la tensión nominal del generador en caso de devanados nuevos.

- Posteriormente el tiempo del pre-esfuerzo eléctrico se decrementa la tensión lentamente en pasos de 0.5 kV o 1 kV hasta la extinción de la DP, anotando la

magnitud de la carga aparente máxima y mínima y la tensión de extinción de DP’s.

Para una buena reproducibilidad de los resultados de prueba, cada secuencia de prueba debe de ser realizada aproximadamente con el mismo retardo de tiempo. En cada medición debe registrase la temperatura ambiente, temperatura de devanados, y humedad relativa.

- Las mediciones de diferentes cantidades relacionadas con los pulsos de DP’s

Página 42 de alta tensión. Consecuentemente es difícil confirmar los valores de DP obtenidos antes y después de la prueba de alta tensión. Lo anterior debe de tomarse

encuentra cuando se especifiquen pruebas de aceptación de DP’s. Recomendaciones

- Durante la medición se recomienda poner especial atención a los efectos de las descargas.

- Un zumbido característico de DP en cabezales, puede indicar problemas de contaminación o de graduación de campo eléctrico.

- La identificación de ionización visible puede ayudar a ubicar el mecanismo de deterioro.

- Adicional a la medición de DP, se sugiere energizar el devanado estando los cabezales en la oscuridad para poder identificar ionizaciones visibles.

- Si se va a considerar la medición de descargas parciales como prueba de aceptación se deben de especificar claramente el tipo de equipo y procedimiento a utilizar.

2.4.2 Criterio de aceptación

Los criterios establecidos son solo de referencia ya que realmente no existen límites normalizados para la magnitud de las DP´s, para la evaluación de un sistema aislante debe considerarse la tendencia de la magnitud a través del tiempo ya que por ejemplo, a los aislamientos nuevos les afecta menos la presencia de las Descargas Parciales. El Criterios de evaluación para Mica-Epoxi por el Japan Iere Council es el mostrado en la Tabla 2.7.

Capitulo 2. Procedimiento de pruebas fuera de línea al estator

Página 43 Tabla 2.7. Criterio de evaluación para Mica-epoxi por el Japan Iere Council [7].

Q (pC) Diagnóstico

< 10,000 Excelente

10,000 < Qm < 30,000 Aceptable

> 30,000 Crítico

> 100,000 Investigación

El criterio general que se ha adoptado en CFE para el seguimiento de las descargas parciales fuera de línea es el mostrado en la Tabla 2.8. (Dependiendo del equipo de medición utilizado y su calibración).

Tabla 2.8. Criterio de evaluación adoptado por la CFE [10]. Periodicidad de la medición Magnitud de las DP´s

Cada 4 años ≤ 10,000 pC

Cada 2 años > 10,000 pC a ≤ 30,000 pC

Cada año > 30,000 pC a <100,000 pC

Si las descargas parciales han alcanzado valores de 30, 000 pC o más, lo recomendable es instalar equipo de monitoreo en línea para realizar una mejor evaluación de la causa de las mismas y un seguimiento más oportuno de la tendencia. Es importante considerar que cuando se realicen mediciones periódicas de descargas parciales, es necesario que siempre se midan con los mismos equipos y calibración para no tener variaciones de valores por utilizar diferentes equipos de medición y calibración de los mismos.

La experiencia actual en la medición de descargas parciales fuera de línea muestra que, en muchos casos, no es fácil determinar el origen de las descargas parciales. La contaminación ó suciedad de los devanados producen descargas parciales que pueden confundirse con otro mecanismo de falla. Esto dificulta tomar la decisión respecto al tipo de trabajo correctivo necesario. Aun con todo,

Página 44 esta prueba ha demostrado ser la más sensible a degradación del aislamiento ó contaminación en el mismo.