Descargas parciales en transformadores
En este artículo, comenzaremos con una breve explicación sobre las descargas parciales, las señales que se generan y cómo se comportan estas señales en un transformador. Para esto tocaremos las normas y veremos algunos equipos de ensayos.
Tabla de contenidos
Introducción a las descargas parciales y las señales en transformadores
Las descargas parciales (DP) son pequeñas rupturas eléctricas que ocurren en una parte del aislamiento en sistemas eléctricos de alta tensión. Estas descargas pueden causar daños en los sistemas de aislamiento y suceden por diversas razones, como un aumento de la fuerza del campo eléctrico, sobrecalentamiento, defectos en el material de aislamiento, entre otros.
El análisis de DP ayuda a detectar problemas y evaluar el estado de los sistemas de aislamiento en equipos eléctricos, como transformadores y generadores. Las descargas parciales pueden ser internas o externas.
Los dos tipos de DP más peligrosos son las descargas de vacío y la arborescencia eléctrica. En el caso de las descargas de vacío, si la intensidad del campo eléctrico en un espacio vacío dentro del aislamiento supera la resistencia del gas en ese espacio, se produce una pequeña descarga eléctrica (un arco).
Cuando ocurre una descarga parcial, la resistencia del gas en el espacio vacío vuelve a su estado normal y el proceso de carga y descarga continúa. Las descargas parciales suelen aparecer cerca del punto en que la tensión aplicada es cero y se pueden analizar mediante patrones de descargas parciales resueltas en fase (PRPD).
La cantidad de carga liberada durante una descarga parcial se mide en culombios y se llama carga aparente. Estudiar las descargas parciales ayuda a identificar problemas en los sistemas eléctricos y prevenir fallos en el aislamiento.
Existen numerosos requisitos para las pruebas de aceptación en fábrica (FAT) de transformadores en general. Varias normas abordan las FAT de transformadores de potencia y distribución, distinguiendo entre transformadores secos y de tipo líquido, y estableciendo los requisitos básicos para un transformador en buen funcionamiento.
La segunda norma a tener en cuenta es la IEC La IEC 60076-3, que se enfoca en transformadores de potencia, y puede considerarse como una norma que relaciona las pruebas de descargas parciales de transformadores.
Estándares y métodos de prueba
Los estándares IEEE relevantes para transformadores se encuentran bajo la serie C57. Aunque las mediciones de RIV no estaban destinadas a ser una herramienta de diagnóstico, las mediciones de descargas parciales (PD) han ido reemplazando cada vez más a las mediciones de RIV.
Las mediciones de RIV (Radio Influence Voltage -según NEMA 107-1987-) son pruebas que se realizan en equipos eléctricos de alta tensión para evaluar la interferencia que pueden generar en las señales de radio. El término RIV hace referencia al voltaje generado por las descargas parciales y las corrientes de corona que pueden afectar las señales de radio.
En la década de 1930, se identificó que algunos equipos de alta tensión interferían con las señales de radio, lo que llevó a la introducción de las pruebas de RIV para detectar posibles problemas de corona antes de poner en funcionamiento el equipo. La corona es un fenómeno eléctrico que ocurre cuando el voltaje en un conductor excede un cierto umbral, provocando la ionización del aire circundante y la emisión de luz y ruido.
Las pruebas de RIV se enfocan en los problemas que los equipos de alta tensión podrían crear para las señales de radio y no fueron diseñadas para ser una herramienta de diagnóstico. Con el tiempo, las pruebas de descargas parciales (PD) se han vuelto más populares y han comenzado a reemplazar las mediciones de RIV en muchas aplicaciones, ya que ofrecen más información sobre la condición del equipo y no solo un criterio de aprobación o rechazo. Sin embargo, las mediciones de RIV todavía se utilizan en algunas áreas, especialmente en América del Norte y Asia.
Algunos estándares que se centran en las mediciones de PD incluyen la IEC 60270, que define un método de prueba común utilizando un condensador de acoplamiento junto con la impedancia de medición como circuito de medición, y la IEC 62478, que se centra en pruebas de PD no convencionales.
PD es la abreviatura de “Partial Discharge” en inglés, que en español se traduce como “Descarga Parcial”. Las descargas parciales son fenómenos eléctricos que ocurren en equipos de alta tensión, como transformadores, generadores, cables, interruptores y aisladores, cuando el voltaje local en el aislamiento excede el nivel dieléctrico del material aislante. Esto puede generar pequeñas descargas eléctricas que no llegan a ser un cortocircuito completo, pero pueden causar daños a largo plazo en el equipo.
Las descargas parciales son indicadores clave de la degradación y envejecimiento del aislamiento en equipos de alta tensión y, si no se controlan, pueden provocar fallas costosas y posibles riesgos de seguridad. Por lo tanto, es importante realizar pruebas y monitoreo de descargas parciales para identificar y abordar estos problemas antes de que se conviertan en fallas críticas.
Las pruebas de PD ofrecen información valiosa sobre la condición del equipo y pueden ayudar a los ingenieros y técnicos a tomar decisiones informadas sobre el mantenimiento, la reparación o el reemplazo del equipo de alta tensión. Estas pruebas también pueden ser útiles para validar la calidad y el rendimiento de los nuevos equipos durante las pruebas de aceptación en fábrica (FAT).
Se debe considerar una lista detallada de requisitos esenciales para una buena medición por ejemplo el detector, calibrador, etc., estos son puntos esenciales que los fabricantes de equipos para medir descargas parciales deben tener en cuenta.
Se deben enfocar en las restricciones que deben considerarse al estar frente a un transformador y realizar una prueba de aceptación. Estas son las frecuencias permitidas para las mediciones.
Primero, las mediciones de banda ancha.
Las mediciones de banda ancha según la IEC 6261 son mediciones con un ancho de banda entre 100 y 900 kilohertz. Junto con el ancho de banda, la IEC también limita la frecuencia de esquina inferior y superior permitida. La frecuencia de esquina inferior debe estar entre 30 y 100 kilohertz y la curva superior no debe exceder 1 megahertz.
La segunda opción son las mediciones de banda estrecha. Aquí el ancho de banda debe estar entre 9 y 30 kilohertz y la frecuencia debe estar entre 50 kilohertz y 1 megahertz. Sin embargo, las mediciones de banda estrecha tienen algunas desventajas importantes. Las mediciones de banda estrecha sufren oscilaciones fuertes creadas por los filtros de paso de banda correspondientes.
Estas oscilaciones hacen que sea casi imposible distinguir correctamente la polaridad de un pulso de PD. Además, el mayor tiempo de decaimiento debido a estas oscilaciones limita la posible resolución temporal para pulsos de PD repetitivos. Por lo tanto, las mediciones de banda ancha son muy preferidas para las pruebas de PD.
A lo largo del artículo, se debe tener en cuenta que las pruebas de aceptación en fábrica de transformadores deben realizarse en el rango de frecuencia por debajo de 1 megahertz.
Donde exactamente la prueba de PD es parte de una prueba de aceptación en fábrica de transformadores, la prueba de PD es parte de la prueba de tensión inducida, ya sea en combinación con la prueba de resistencia o como una prueba independiente de PD de tensión inducida, a menudo denominada IVPD.
La tensión inducida, a menudo denominada IVPD (Induced Voltage Partial Discharge), es una prueba que se realiza en transformadores y otros equipos eléctricos de alta tensión para evaluar la presencia de descargas parciales (PD) en el aislamiento. La prueba IVPD es parte del proceso de pruebas de aceptación en fábrica (FAT) y del mantenimiento preventivo para asegurar la calidad y la confiabilidad del equipo eléctrico.
Durante una prueba de tensión inducida, se aplica un voltaje externo al equipo eléctrico a una frecuencia más alta que la frecuencia de operación normal (50 Hz o 60 Hz). Este voltaje inducido genera un campo eléctrico dentro del aislamiento del equipo, y si hay defectos o debilidades en el aislamiento, podrían ocurrir descargas parciales.
Al monitorear y analizar las descargas parciales durante la prueba de tensión inducida, los ingenieros y técnicos pueden identificar y localizar posibles defectos en el aislamiento antes de que el equipo se ponga en funcionamiento. Esto ayuda a prevenir fallas prematuras y garantizar un rendimiento óptimo del equipo a lo largo de su vida útil.
Según la IEC 6733, las pruebas de PD son obligatorias para transformadores de potencia con una tensión máxima superior a 72,5 kV.
Y para transformadores por debajo de estos 72,5 kV, debe hacerse de acuerdo entre el cliente y el fabricante. Las pruebas de PD para transformadores secos según la IEC6736-11 son obligatorias para todos los transformadores secos cubiertos por la IEC6736-11 con una tensión máxima superior a 3,6 kV.
Los transformadores secos que se encuentran bajo el régimen de la IEC6736-11 son todos aquellos transformadores con una tensión máxima inferior a 36 kilovoltios y una potencia nominal superior a 1 kVA para transformadores monofásicos o 5 kVA para transformadores trifásicos.
Ubicación de la descarga parcial
Para la ubicación y la polaridad de las descargas parciales. La ubicación de una descarga parcial en un transformador puede deducirse a partir de la fase en la que se produce la descarga. Además, la polaridad de la descarga parcial puede proporcionar información sobre el tipo de defecto en el aislamiento. Para un análisis más detallado de las descargas parciales, como el seguimiento de la evolución de los defectos en el aislamiento y la localización precisa de las fuentes de descarga parcial, se pueden utilizar técnicas avanzadas de medición y análisis. Estas técnicas pueden incluir la medición de la señal de UHF (Ultra High Frequency) y la señal acústica, así como el uso de algoritmos de procesamiento de señales para analizar y correlacionar las señales medidas.
Las pruebas de descargas parciales son una parte esencial de las pruebas de aceptación en fábrica (FAT) para transformadores y otros equipos eléctricos de alta tensión. Estas pruebas ayudan a garantizar la calidad y la confiabilidad del equipo, identificando y localizando posibles defectos en el aislamiento antes de que el equipo se ponga en funcionamiento. Las pruebas de descargas parciales utilizan diversas técnicas de medición y análisis para detectar y evaluar las descargas parciales en función de la magnitud de la carga aparente, la ubicación y la polaridad de las descargas, y la naturaleza del defecto en el aislamiento.
Mediciones en tiempo real
Cumpliendo con los requisitos de las normas y asegurando la calidad y confiabilidad de los transformadores. La pantalla de prueba de aceptación proporciona información en tiempo real sobre el proceso de prueba y los resultados de las mediciones de descargas parciales. Además, permite a los operadores realizar un seguimiento del progreso de la prueba, ajustar los parámetros según sea necesario y tomar decisiones informadas sobre la aceptación o rechazo de un transformador en función de los criterios establecidos.
El panel de prueba de aceptación presenta una serie de vistas y funciones que facilitan la realización de pruebas de descargas parciales en transformadores. Algunas de estas funciones incluyen:
- La visualización de la secuencia de prueba, que permite a los operadores seguir el proceso de la prueba paso a paso y asegurarse de que se cumplan los requisitos de tiempo y voltaje establecidos por las normas.
- La visualización de los resultados de las mediciones de descargas parciales, que proporciona información sobre la magnitud, la fase y la tendencia de las descargas parciales en cada uno de los puntos de medición.
- La capacidad de ajustar los límites de aceptación y los criterios de rechazo, de acuerdo con las especificaciones del cliente o las normas aplicables.
- La posibilidad de guardar y exportar los resultados de las pruebas para su análisis posterior o para fines de documentación y trazabilidad.
Hablemos de Power Diagnostix Systems
Power Diagnostix es una empresa especializada en el diseño, fabricación y venta de sistemas y equipos de medición y análisis de descargas parciales (PD) y tangente delta (TD) para la industria de la energía eléctrica. Fundada en 1986, Power Diagnostix ofrece soluciones para monitorear y evaluar la calidad del aislamiento en equipos eléctricos como transformadores, cables, interruptores y otros componentes.
Los productos y servicios de Power Diagnostix incluyen sistemas de detección de descargas parciales, dispositivos de acoplamiento y preamplificadores, calibradores, y software de análisis. La compañía también ofrece capacitación, soporte técnico y asesoría a sus clientes para ayudarlos a realizar pruebas y análisis de descargas parciales en sus instalaciones.
En resumen, Power Diagnostix es una empresa dedicada a proporcionar soluciones de prueba y medición para la industria eléctrica, con un enfoque específico en la detección y análisis de descargas parciales y tangente delta.
El sistema desarrollado por ellos es un sistema muy avanzado para la medición de PD y Tangente Delta de última generación con preprocesamiento y postprocesamiento de señales de alta gama:
- Adquisición simultánea de datos en tiempo real en múltiples interfaces (hasta 10 canales).
- Capacidad para realizar mediciones bajo voltajes de CA y CC.
- Osciloscopio integrado y, opcionalmente, un analizador de espectro.
- Cumplimiento total con la norma IEC 60270 para mediciones de descargas parciales.
- Opciones para medir y analizar señales de PD en un amplio rango de frecuencias.
Más allá de esto, la configuración completa agrega una opción de analizador de espectro y un disparador inteligente para una mejor localización acústica. Además, esta configuración considera medir el terciario utilizando capacitores de acoplamiento, así como un neutro disponible.
La configuración mínima para transformadores de distribución requiere solo una medición en tres canales de medición, por lo que el rack de 19 pulgadas es suficiente para obtener el equipo necesario para medir tres canales en paralelo. Dado que el límite de aceptación para transformadores de distribución es de 10 picocoulombs, mucho más estricto, se recomienda optar por el CT100.
Problemas en las mediciones de descargas parciales en fábrica.
Un problema común para cualquier tipo de medición de PD es la captación de perturbaciones de alta frecuencia emitidas por el equipo circundante durante la medición. Para entender por qué sucede esto, es útil considerar los siguientes puntos. La impedancia de medición está cerca de la conexión a tierra, ya sea debajo del condensador de acoplamiento o debajo del dispositivo en prueba. Entonces, básicamente, mide todas las frecuencias altas captadas a través de la tierra común. El segundo problema es que durante la construcción de muchas fábricas de transformadores, las mediciones de PD no se consideraron en absoluto o no eran comunes, lo que llevó al hecho de que a menudo no hay un sistema de tierra separado para el laboratorio de HV.
Entonces, las perturbaciones de alta frecuencia creadas por la maquinaria utilizada para la fabricación afectan la sensibilidad de las mediciones de PD. Para enfrentar este problema, se examina y optimiza la relación señal-ruido dentro del rango de frecuencia permitido al evaluar el piso de ruido para la combinación de filtros disponible utilizando un circuito de prueba típico, incluido el dispositivo en prueba.
Así que aquí hay una observación, la conexión de ruido común al circuito de medición es especialmente un problema al tratar con fábricas que producen transformadores de distribución. El laboratorio suele ser simplemente un área pequeña y separada en la producción y, además de eso, tiene un límite de aceptación mucho más estricto de 10 picocoulombs, por lo que tiene restricciones aún mayores para su piso de ruido.
El segundo punto digno de mención aquí es el hecho de que la forma y la altura de las perturbaciones recibidas pueden variar a lo largo del día. Nuevamente, esto depende de si alguien está soldando, si una plataforma elevadora está cargando, si una grúa se está moviendo o algo similar. Si los ingenieros que realizan estas mediciones no están al tanto.
Conclusiones
Las descargas parciales (DP) son fenómenos eléctricos que suceden en sistemas de aislamiento de equipos eléctricos, como transformadores, generadores, cables de potencia, bujes (bushings), etc, cuando están expuestos a alta tensión. Estas descargas no afectan todo el aislamiento, sino solo una pequeña parte de él. El problema es que pueden causar daños permanentes en los materiales que aíslan la electricidad, lo cual puede llevar a fallas en los equipos.
Estas descargas ocurren por diferentes razones, como un aumento en la fuerza del campo eléctrico (por un diseño débil o exceso de tensión), sobrecalentamiento en una zona específica, defectos en los materiales aislantes, desgaste de las capas de resina, abrasión, vibraciones y presencia de agua en el aislamiento.
Las descargas parciales se dividen en dos categorías: internas y externas. Las internas ocurren dentro de los materiales aislantes, mientras que las externas suceden en la superficie de estos materiales. Los dos tipos de DP más peligrosos son las descargas de vacío y la arborescencia eléctrica. Las descargas de vacío ocurren cuando la intensidad del campo eléctrico en un espacio vacío dentro del aislamiento es tan alta que supera la resistencia del gas en ese espacio, provocando una pequeña chispa eléctrica.
Para evitar problemas y mantener los equipos eléctricos en buen estado, es necesario detectar y analizar las descargas parciales. Existen equipos de medición y monitoreo que nos permiten obtener información valiosa sobre la condición de los sistemas de aislamiento.
Una parte importante del análisis de DP es el estudio de patrones que muestran cómo se relacionan las descargas con la posición de la fase de tensión (es decir, en qué momento del ciclo de corriente alterna ocurren las descargas). Estos patrones, llamados “descargas parciales resueltas en fase” (PRPD, por sus siglas en inglés), pueden variar según el tipo de falla, el sistema de aislamiento y el diseño del equipo eléctrico, y nos ayudan a identificar la fuente de las descargas parciales.
La cantidad de carga eléctrica que se libera durante una descarga parcial se mide en una unidad llamada culombio. Esta medida, conocida como “carga aparente”, nos permite evaluar la magnitud de las descargas y compararlas entre diferentes equipos y condiciones.
