Diagnóstico de la falla.

Para el caso del interruptor de potencia de 400 kV, se deduce que la falla no se debe a un fenómeno transitorio, ya que se observa un comportamiento de una descarga superficial. Es decir, el paso de la corriente sobre el medio aislante del émbolo no fue de gran magnitud como para que la descarga creara una trayectoria penetrante a través del dieléctrico.

Como solo se observan algunos nodos que sí corresponden a un daño en el material aislante, se determina que la corriente que genera la descarga, en ésos puntos fue elevada, la cual solo produjo una descarga superficial al medio aislante del émbolo dentro de la cámara de interrupción.

Con lo anterior se concluye que, si la magnitud de la corriente fuera mayor debido a un fenómeno transitorio, generaría una destrucción total al medio aislante en el dieléctrico, ya que los valores de corrientes en fenómenos transitorios son elevados.

Se llega a ésta conclusión por medio del análisis de los nodos en la descarga eléctrica. Los nodos, al ser una concentración de energía en un punto determinado

66 del espacio, generan una mayor concentración de energía calorífica en el punto donde se produce, generando una carbonización en el sólido.

Además, al analizar la ruta de la descarga, se presenta una modificación al medio de extinción (SF6) debido a su combinación con átomos de oxígeno, lo que genera contaminación y humedad al gas, produciendo un superación la constante dieléctrica del aislamiento lo que generó que la trayectoria se presentara de manera superficial.

Por lo que se deduce que el aislante sólido externo (empaque) de la cámara de extinción fue quien provocó la falla, por envejecimiento o por alguna modificación en su estructura física. Ya que al dejar pasar átomos de oxígeno a la cámara de exención altera las características dieléctricas de la cámara, modificando su capacidad interruptiva.

Al mezclarse oxígeno con SF6, y con el flujo de electrones; se genera un sobrecalentamiento de la combinación de los gases, lo que produce un aumento de la presión del gas [16] y al presentarse átomos de oxígeno (un gas altamente flamable) y energía calorífica producto del paso de la corriente eléctrica, esto provoca la explosión del interruptor.

También se deduce que la descarga se produjo en el semiciclo positivo. Se llega a esta conclusión al estudiar la física de las descargas como se ha mencionado en el capítulo 2 de esta tesis. Cuando se trata de una descarga positiva, tiende a producir mayor número de arborescencias que se derivan de la descarga principal, alejándose de la axial de los electrodos.

67

68

Resultados

Para el diagnóstico de las fallas en interruptores potencia; se toma en cuenta las propiedades de la figura formada y del aspecto físico de dicho fenómeno. Existen diferentes fallas de origen eléctrico generadas por el aislante interno o externo del interruptor; así como de la operación del medio de extinción. Pero cada una de ellas siempre presentará una característica propia en cuanto al valor de los índices de color que existan en la imagen.

Es decir; se puede dar un diagnóstico de la falla a partir de la cantidad de ramificaciones encontradas en ella, en la cantidad de nodos localizados dentro de la ruta segmentada, también a partir de la tendencia de la descarga de su punto origen hasta el último nodo de la descarga según la polaridad con la que se genera la descarga eléctrica.

En el caso del interruptor de potencia con cámara de interrupción en SF6, con capacidad interruptiva de 400kV presentado en el capítulo 4; se da el diagnostico de la falla a partir de la gran cantidad de ramificaciones que se encuentran y de la cantidad de nodos que fueron localizados.

A partir de estas características se deduce que la falla se presentó en el semiciclo positivo de la onda primaria del sistema eléctrico. Ya que cuando se genera una descarga con polaridad positiva se tiene una descarga menos “uniforme“ de la ruta principal y más alejada de la ruta principal como ocurre cuando se presenta una descarga eléctrica con polaridad negativa; en donde se tienen un menor grado de ramificación.

69 También se deduce que la falla no fue ocasionada por un fenómeno transitorio, esto es a partir de que en un fenómeno transitorio como es una descarga atmosférica, se presentan valores de corriente altos. Si un valor de corriente alto fluyera a través del medio sólido aislante se generaría una descarga con nodos más notorios en el dieléctrico.

En el aislante del embolo se encontró una distribución de pixeles en la zona de las arborescencias más notorias, las cuales presentaron menor oposición al paso del flujo eléctrico. Entonces la corriente fue superficial incapaz de generar un daño mayor al medio solido.

Por esto, se diagnóstica que la falla se debió al aislante solido externo de la cámara de interrupción del interruptor de potencia. Lo que permite que entren agentes contaminantes al SF6.

Al dejar pasar átomos de oxigeno dentro de la cámara de extinción y en combinación con el SF6 provocaron una elevación en la temperatura y en la presión de la combinación de gases, y al existir un flujo de corriente eléctrica y por el efecto térmico que tiene su presencia provocaron la explosión de la cámara de interrupción al entrar en contacto los átomos de oxigeno con el flujo eléctrico provocaron el estallido del interruptor de potencia.

Conclusiones

Al realizar este proyecto de tesis se ha desarrollado una metodología para el procesamiento digital de imágenes de fallas en interruptores de potencia. Esta metodología requiere de una toma óptima de la fotografía de la falla.

Con esto se previene un análisis exhaustivo de los nodos y de la ruta segmentada, para ello se deben tomar en cuenta los puntos explicados anteriormente en el capítulo 4.

70 Cuando se tome la fotografía que será procesada, se debe tener en cuenta la medida especificada de filas y columnas para que al procesar la imagen no se sature la memoria del programa o los recursos propios del equipo de cómputo. La medida tiene que ser de 157 filas y de 354 columnas.

Para el procesamiento digital de imágenes se requiere de la comparación entre capas para determinar cuál de ellas es la más conveniente para encontrar los pixeles deseados. Además es necesario dividir en cuatro partes iguales la muestra seleccionada para el procesamiento con el fin de visualizar mejor los arreglos matriciales de los índices de color de los pixeles que componen los cuadros.

Mediante un espectro sobre la matriz de la imagen se puede obtener una visión de los pixeles de interés. Esto se logra con un ajuste de contraste de la imagen. Además este ajuste de contraste es útil para la determinación de un intervalo de búsqueda de valores de índice de color de los pixeles de la imagen.

En este procesamiento cabe mencionar que no se procede con acciones morfológicas de las imágenes; ya que solo se extrae información directa del arreglo matricial de los pixeles que conforman a la imagen.

Es decir no se manipulan valores de los índices de color con operaciones como ejemplo; la erosión o la dilatación como en otros procesamientos digitales. Incluso la separación de las capas no altera ningún valor original de la primera matriz.

Para el caso del análisis de las descargas eléctricas en medios gaseosos; se entiende que lo pixeles que se desean encontrar son los próximos al blanco puro interpretado con el índice de color de 255 por MATLAB ®.

71 A diferencia de medios sólidos; donde el paso de la corriente eléctrica, ya sea superficial o penetrante, en el medio se presenta una carbonización del material donde se presenta el fenómeno.

En estos casos se debe de trabajar con los índices de color más oscuros que generen la ruta de la descarga. Ya que por definición se sabe que en un nodo de la trayectoria segmentada se concentra mayor energía eléctrica, causa de la oposición y neutralización de los campos eléctricos tanto externo como interno al presentarse el fenómeno.

Al concentrarse mayor cantidad de energía eléctrica, también se genera mayor concentración de energía luminosa y calorífica por el principio de la conservación de la energía. Al concentrarse la energía calorífica el medio solido, se genera un punto de carbonización de este.

Este aspecto tendrá ciertas propiedades dependiendo de las moléculas que lo conformen, por ejemplo cuando una descarga eléctrica se presenta en un medio solido metálico, este presentará cierto brillo característico de los metales.

Pero si el fenómeno se presenta en un polímero, como lo es el aislante solido interno de los interruptores de potencia; se presentará una carbonización y esta tendrá (dentro de la imagen) valores de índice de color bajos; en algunos casos podría llegar a los colores próximos al negro total. Pero esto depende la calidad de la imagen y del dispositivo que la obtenga.

72 Universidad de Cataluña, 1999.

2. http://patricioconcha.ubb.cl/eleduc/public_www/capitulo1/interruptores.html. Mayo 2009.

3. Apuntes técnicos de la gerencia de distribución de CFE sobre interruptores de potencia, 2006. 4. http://www.zensol.com/VE/compartir-mantenimiento-interruptores.htm. Mayo 2009. 5. http://www.zensol.com/VE/compartir-contactos-electricos.htm. Mayo 2009. 6. http://www.zensol.com/Articles/Zensol_MayJun2006.pdf. Mayo 2009. 7. http://www.cre.gob.mx/documento/998.pdf Mayo 2009. 8. http://www.zensol.com/VE/compartir-estado-interruptor.htm. Mayo 2009. 9. http://www.cigre.org.mx/uploads/media/13-01.PDF. Mayo 2009.

10. E. Kuffel, W. S. Zaengl, High Voltage Engineering, Pergamon Press, Oxford, 1984.

11. Calva Chavarría P. A., Comunicación Privada, 2009.

12. Aponte M. Guillermo, Urrego V. Cesar A., Introducción a las Subestaciones Eléctricas, (Capítulo 3). Curso de Subestaciones Eléctricas, UNIVALLE, Junio 2008.

13. D. B. Watson, Investigation of impulse spark trajectory in air between hemispherically – ended rod and plane electrode, IEE Prod Set Mean Technol., Vol. 143, No. 2, March 1996.

14. Farouk A. M Risk, Critical Switching Impulse Strength of Long Air Gaps: Modeling of Air Density Effects. IEEE, 1991.

15. Swokowski Earl W., Algebra y trigonometría con geometría analítica, Thomson, décima edición, México 2002.

16. Ocampo Glafira A., fundamentos de Química Tomo 2, Publicaciones Culturales, México 2001.

17. Tippens Paul E., Física conceptos y aplicaciones, Mc Graw Hill, México 2001.

73

74

Anexo 1. Recomendaciones.

Características de las imágenes de descargas eléctricas

La fotografía de las descargas eléctricas es muy importante para realizar el análisis de la falla y determinar la ruta de la descarga, ya que al no tener una fotografía de calidad afecta la visualización de la descarga y los valores de pixeles que contiene, dando como resultado un análisis erróneo y dificultad para analizar la trayectoria.

Debido al problema antes mencionado, se presenta a continuación los puntos importantes para la toma de las fotografías de las descargas en los interruptores de potencia, a fin de buscar la mayor nitidez posible sin alterar sus características.

1. La cámara fotográfica deberá ser de la mayor resolución posible, de preferencia que sea una cámara digital de 3.8 mega pixeles o superior. Si se tiene equipo fotográfico el teletipo debe ser mayor a 5X.

2. Se debe tomar la fotografía en un plano, con un ángulo de 90°, ya que un ángulo mayor o menor a 90° altera la perspectiva y modifica los valores de la descarga.

3. Se debe cuidar la luminosidad incidente en el material donde se encuentra la descarga. Para ello se debe instalar sombrillas reflectoras y equipo de iluminación para lograr una nitidez de la descarga y poder tomar la fotografía.

4. La fotografía se debe tomar la más cercano posible al material para eliminar la concavidad producida por la perspectiva (en el caso de fotografías tomadas en émbolos o materiales en forma circular), y evitar sombras y luces externas.

5. Si la descarga no se llega a cubrir en una sola fotografía debido a que se corta la imagen o se distorsiona, es recomendable dividir la sección de fotografía y realizar varias tomas.

75 6. Es importante tener higiene al manipular los elementos donde se encuentren las descargas. De ser posible, se deben manejar con guantes de látex sin residuos, lavarse muy bien las manos y utilizar cubre bocas, ya que toda partícula de suciedad o sudor se considera como ruido.

7. Por ningún motivo se deben tomar fotografías con flash, ya que produce luminosidad que incide en el material y modifica los valores de pixeles en la descarga, generando incertidumbre.

8. Si se puede, se debe filmar una película del momento de a sesión fotográfica, a fin de poder observar y corregir errores en el método de la toma de fotografías.

9. Se recomienda realizar la sesión fotográfica en un local cerrado, sin corrientes de aire, que no tenga humedad. El número de personas para la toma de fotografías a lo más debe ser tres personas, para analizar los criterios de visión de cada una.

10. Por último, se deben tomar todas las fotografías que se crean convenientes, así se podrán revisar y utilizar la que mejor sirva para los fines del análisis, a saber, la más nítida, sin que tenga tanto ruido y que cumpla más con los puntos arriba mencionados.

Si se logran seguir estos puntos, es posible obtener una visualización de la descarga más nítida y, por lo tanto, se podrá realizar un análisis más confiable, libre de errores debidos al exceso de ruidos en la imagen.

Puntos de partida para el análisis de descargas eléctricas.

Para realizar un análisis más completo de las descargas eléctricas, es necesario conocer cuál es su comportamiento en los diferentes materiales dieléctricos. Es decir, no se presenta el mismo comportamiento de la descarga en un medio gaseoso que en uno sólido, debido a las características propias del material.

76 La física de las descargas marca ciertos puntos que se deben considerar para realizar un estudio a fondo de la trayectoria de la ruta y su número de arborescencias. Lo anterior se está dado por dos características:

1. Para descargas con polaridad negativa, el número de arborescencias es menor y su trayectoria tiende a estar más cerca de la axial o eje geométrico de los electrodos.

2. Para descargas con polaridad positiva, la trayectoria de la descarga tiende a alejarse de la axial hay mayor número de arborescencias en la descarga.

Los puntos anteriores nos permiten conocer qué tipo de polaridad tenía la descarga en el momento de la falla, analizar de manera más rápida una ruptura eléctrica debido a que se conocen sus características y establecer conclusiones con fundamento teórico acerca de las posibles causas de falla.

Cabe mencionar que las trayectorias de las descargas eléctricas nunca llegan a tocarse, debido a que, como las arborescencias son fruto de una descarga con una polaridad definida, las cargas se repelen por la ley de atracción y repulsión que dice:

“Cargas iguales se repelen, cargas contrarias se atraen” [17]

Lo que explica el porqué las figuras de descargas eléctricas son tan peculiares. Es importante recalcar que, durante el procesamiento de las imágenes de fallas en interruptores se debe considerar el medio en el que se está analizando. Partiendo de la composición del medio aislante se puede establecer los valores a considerar para encontrar los nodos y segmentos en las arborescencias.

Para materiales aislantes en estado sólido, se toman los valores de pixeles arriba de 40 para los nodos y para fotografías en que se desarrollan en estado gaseoso, se consideran como nodos los valores entre los 250 y 255 pixeles.

77 Al mismo tiempo se recomienda realizar un análisis de la composición de color de la imagen, sus dimensiones y sus características, para realizar un análisis más detallado y con un grado de exactitud mayor.

Éste trabajo parte de la idea de analizar las características de las descargas en interruptores de potencia para realizar una comparación con los resultados obtenidos en el peritaje. De esta manera se espera realizar un catálogo de fallas detallando las características de las trayectorias de las descargas.

El catálogo de fallas tiene como objetivo llevar un registro de los eventos analizados y realizar una base de datos con el fin de que, al presentarse una falla parecida, se pueda determinar con fundamento teórico la posible causa de falla, el tipo de descarga que se presenta y su grado de daño en el equipo. Así se podrá realizar un plan de mantenimiento y corrección de fallas.

Queda para trabajos posteriores el seguir realizando el análisis a más eventos de fallas en interruptores de potencia, para llevar a cabo la recopilación de datos e ir realizando el catálogo de fallas, a fin de que sea de utilidad para la empresa suministradora de energía, fabricantes e investigadores en la materia.

78

Anexo 2. Código en MATLAB® para el procesamiento de