Introducción

Una medición de descargas Parciales (medición DP) es una herramienta no destructiva con el propósito de establecer la condición del sistema de aislamiento de un transformador de potencia [¹][²]. El objetivo de la prueba es certificar que no existan fuentes dañinas de descargas parciales posterior a pruebas de alta tensión o después de su operación normal. [¹⁰][⁹][⁶]Una medición PD se hace posible detectando y localizando áreas dentro del transformador las cuales fueron expuestas a elevados esfuerzos dieléctricos. Las unidades y medidas para Descargas Parciales están definidas en los estándares de pruebas tanto para IEC 60270 (2000), IEC 60076-3 (2000) como IEEE C57.12.90-1999 [⁵][¹⁴][¹¹]. Dichas pruebas van de la mano en complemento con el resto de las pruebas de baja tensión, con el fin de monitorear las condiciones dieléctricas de alta tensión, sobre todo la prueba de potencial inducido que esta se hace en un rango de frecuencia superior a la nominal del sistema.

Teoría

Una Descarga Parcial es la Ionización Transitoria causada por la concentración de campo eléctrico y que parcialmente abarca la distancia entre dos potenciales, provocando una fuga de electrones [¹][²][¹⁵]. Con esto se degrada el aislamiento y en transformadores de potencia acaban como un arco eléctrico y se demuestra en la contaminación del aceite dieléctrico. Las Descargas Parciales son una corriente parcial de falla dentro de una serie de elementos del aislamiento [⁴][³] en medio de dos electrodos sometidos a una diferencia de potencial, (Capacitancias C₂ ^’ y C₁ ^’ en Figura 1). Durante una típica medición de DP, la magnitud del valor detectable de la descarga parcial es generada en función de la tensión aplicada. Una descarga parcial puede ser interpretada como el movimiento rápido de un campo eléctrico desde una posición a otra. Para cambios muy rápidos, o durante el primer instante después del cambio de movimiento, el aislamiento individual enlazado en una serie de conexiones, en medio de dos líneas de terminales pueden ser considerados como un número de capacitores en serie conectados entre sí.

BU: aislador, HV: alta tensión, NT: terminal neutro, C_1,2,3: parte activa del transformador (incluido el aceite dieléctrico), C₁: región debilitada, C₂: capacitancia del objeto de prueba (C₂ ^’ y C₁ ^’)

Figura 1 Aislamiento básico de un transformador de potencia.  

Si las dos líneas terminales son conectadas juntas por un capacitor externo C_k (ver figura 2) los cambios de movimiento dentro de la conexión serie del aislamiento (ver Figura 1, capacitancias C₂ ^’ y C₃ ^’) será reflejada en el cambio del capacitor externo C_k. El cambio del movimiento puede ser detectado como una corriente de impulso circulante i(t) en la conexión paralela de los capacitores C_k y C_t, (ver Figura 2). Se necesitan dos condiciones para iniciar una Descarga Parcial (por ejemplo, falla eléctrica) [¹][²][³] dentro de la región de aislamiento débil:

El esfuerzo excesivo en la región débil puede resultar desde el desperfecto de diseño, contaminación o un mal control de calidad en la manufactura, también el defecto en los materiales aislantes, entre otros. Otra posibilidad son los daños causados al aislamiento posteriores a otras pruebas realizadas. [¹][²]

C_t: capacitancia del objeto de prueba, C_k: capacitancia de acople, G: fuente de voltaje, i(t): corriente de pulsos de las DP, i _k,t: corrientes desplazadas, Z: conexiones de las fuentes de tensión, q: cargas transferidas, U_t: tensión de la conexión en paralelo de los capacitores, Z_m: impedancia de medición

Figura 2 Circuito equivalente para la medición de DP.  

Principio de Medición de Descargas Parciales

Todos los métodos de medición de Descargas Parciales [⁵][⁶][⁸] están basados en la detección de corrientes de impulso de DP i(t), circulando en la conexión paralela de los capacitores C_k (capacitor de acople) y C_t (capacitor del objeto de prueba) por la medición de la impedancia Z_m. El circuito equivalente básico corresponde al de la Figura 2. La medición de la Impedancia Z_m puede no necesariamente ser conectada en serie con el capacitor de acople C_k o con el capacitor del objeto bajo prueba C_t. Anteriormente se había discutido que las Corrientes de impulsos de DP son generados por los cambios transferidos en medio de las conexiones paralelo del capacitor C_k y el capacitor C_t.

Los estándares IEC e IEEE muestran las reglas y la manera de evaluación de los resultados a fin de establecer los criterios de aceptación de un transformador de Potencia. La IEC en su medición y procesamiento es distinta a IEEE. IEC transforma la señal a un valor en picocoulombs (pC) [⁵] mientras IEEE transforma la señal a un valor de Tensión de Radio Interferencia RIV [⁶][¹¹], generalmente medida en microvoltios (μV). El uso de la RIV esta descontinuado, pero IEEE aun no lo ha hecho oficial en su norma. A pesar de ello la IEEE ha preferido el método de medición el pC en el estándar IEEE C57.113. La integral de la medición de la corriente de impulso de DP puede ser realizada ya sea en el dominio del tiempo (osciloscopios digitales) o en el dominio de la frecuencia (filtro paso banda).

PDS: Sistema DP, C_k: capacitancia de acople, C_t: capacitancia del objeto de prueba, Z: conexiones de las fuentes de tensión, Z_m: impedancia de medición.

Figura 3 Circuito de prueba para medición sin toma capacitiva en transformadores de potencia 

Medición de Descargas Parciales en Transformadores

Si circulan corrientes de impulso de DP, generalmente por una fuente externa de DP (en el circuito de prueba) o por una fuente interna (en el sistema de aislamiento del transformador) puede solamente estar midiendo los aisladores de alta tensión del transformador. En la Figura 3 y Figura 4 podemos observar la capacitancia del aislador de alta tensión C₁, representada por un capacitor de acople C_k, cual es conectado en paralelo con la capacitancia C₁, (objeto de prueba = capacitancia total del sistema de aislamiento del transformador).

Para Transformadores de Potencia la medida de impedancia es generalmente conectada en medio de los aisladores de alta tensión en la toma capacitiva de C ₁ a tierra, tal y como se muestra en la Figura 4. Para un aislador sin toma capacitiva se puede colocar un acople externo para la capacitancia de acople C_k y será conectada en paralelo con el aislador (Figura 5)

C₁ = C_k: capacitancia de acople, C₂: toma de la toma capacitiva, SE: electrodo de protección, PDS: Sistema de DP, CAL: calibrador, Z_m: impedancia de medición

Figura 4 Circuito de calibración para medición de DP en transformadores de potencia, con toma capacitiva. 

Estándar IEC

De acuerdo con IEC [⁵][¹⁴], la medición de DP es hecha por la medición de la “carga aparente q”. En este contexto la carga aparente es obtenida por la integral de la corriente de impulso de DP usando “filtro de ancho de banda” o “filtro de banda reducida”. La medición de DP es conectada vía cable coaxial a la impedancia Z_m.

SE: electrodo de protección, PDS: Sistema de DP, CAL: calibrador, Ck: capacitancia de acople, Z_m: impedancia de medición

Figura 5 Circuito de calibración para medición de DP en transformadores, sin toma capacitiva. 

La carga aparente q, medida en picocoulombs (pC), corresponde a la carga transferida durante el DU proceso de compensación de voltaje en una de las capacitancias conectadas en paralelo C_t (aislamiento del transformador) y la capacitancia del aislador C₁ o la capacitancia de acople C_k. (ver Figuras 2 y 4). Esta tensión DU tampoco puede ser causado en el objeto de prueba (DP interna ya sea en el aislamiento del transformador o en el aislador) o en el circuito de prueba (DP externa). Si la DP es detectada durante la prueba, la fuente de DP deberá ser investigada a fondo. La magnitud de la medida de la carga aparente q, en pC será definida por el procedimiento de calibración del objeto de prueba.

Estándar IEC

De acuerdo al estándar IEC para la medición de Descargas Parciales, esta se hará en conjunto con la Prueba de sobretensión Inducida en todos los transformadores de potencia [⁷]. La medición de Descargas Parciales puede ser realizada en la prueba de sobretensión inducida de larga duración (ACLD) como la prueba de sobretensión inducida de corta duración (ACSD). Las secuencias de prueba están dadas en el estándar de medición. La medición puede realizarse en todos los aisladores donde el sistema de tensión es mayor a 72.5 kV. Igualmente se mide en pC. También se pueden utilizar filtros para atenuar el ruido externo.

La primera medición de DP (valores de carga aparente en pC) será hecha a un nivel de tensión bajo (10% U_r). Este valor servirá como referencia para medir el nivel de ruido del laboratorio de alta tensión. De acuerdo a los estándares IEC, el nivel de ruido del laboratorio será mucho menor que el valor medio requerido de la carga aparente especificado por el transformador [⁷]. El nivel de ruido en un laboratorio de alta tensión debería ser lo más bajo posible. El seguimiento de la prueba será hecha en cada secuencia según los niveles de tensión indicadas en la figura 6 y 7(partes A,B,D,E) con la excepción del nivel de alzada de la parte C. Todos los valores en pC de los aisladores deberán también ser documentados.

Para la parte C de la curva se tiene el siguiente criterio:

Donde

t: tiempo de la prueba en segundos f _r : valor de frecuencia del transformador f _p : valor de frecuencia de la prueba Será de 60 segundos máximo. La duración de la prueba no será menor que 15 segundos independientemente el valor de la frecuencia de prueba. De lo contrario se aplicará la corrección según la fórmula anterior para obtener el valor de la parte C de la curva.

C: tiempo según criterios de la norma [95] U₂: 1.3 U_m (fase a fase) o 1.3 U_m / √3 (fase a tierra)

Figura 6 Secuencia de tiempos para la medición de descargas parciales para la prueba corta (ACSD).  

C: tiempo según criterios de la norma [100] D: 60 minutos para U_m> 300 kV o 30 minutos para U_m< 300 kV. [101] U₂: ^{1.5 U} _m / √3 (fase a tierra) [102] U_p: ^{1.7 U} _m / √3 (fase a tierra)

Figura 7 Secuencia de tiempos para la medición de descargas parciales para la prueba larga (ACLD) [⁷]. 

Estándar IEEE

De acuerdo al valor estándar de IEEE, la medición de descargas parciales será desarrollada en el “nivel de medición de una hora”, antes de elevar la tensión y durante una hora después de haber subido la tensión según la Figura 8[⁶]. La duración de A de la Figura 8, será lo suficiente para empezar a medir DP en transformadores impregnado en aceite (mínimo 10 minutos). En aisladores las descargas parciales se medirán a tensiones ≥ 115 kV. Será medida en μV.

Igualmente se deben usar filtros a la hora de realizar la medición.

A: tiempo para medición de DP [118] B: 7200 ciclos [119] C: 60 minutos

Figura 8 Secuencia de tiempos para la medición de descargas parciales.  

La primera medición (valores RIV en μV) será hecha a baja tensión (cerca del 10% de U_r). Este valor servirá de referencia para medir el nivel de ruido del laboratorio. De acuerdo a los estándares este nivel de ruido deberá ser más bajo que la media en μV especificada por el transformador. [⁶] El seguimiento de la medición de DP será desarrollada a cada prueba según se muestra en la Figura 8 (partes A y C) con excepción de la tensión Alta o de subida. Todas las medidas en μV de los aisladores deben ser debidamente documentados también. Durante la hora de la prueba (parte C de Figura 8), las mediciones en los aisladores deben ser medidas cada 5 minutos.

Discusión Final

Dadas las tendencias mundiales de evitar al máximo la afectación de los clientes y donde se requiere tener información a primera mano del estado dieléctrico [³][¹][²] del transformador, es imprescindible, la utilización de técnicas más efectivas y menos invasivas de valoración del estado dieléctrico de un transformador de potencia. Una valoración de este tipo en línea sería grandemente aceptada y valorada en la industria eléctrica. Esto traería consigo un valor agregado de importancia, pues en tiempo real se podría tener un valor de la condición dieléctrica y a futuro, el tener insumos para la toma de decisiones.

Es bien sabido que una máquina eléctrica, está sometida a esfuerzos dieléctricos, que son inevitables, como por ejemplo las descargas atmosféricas y las sobretensiones ocasionadas en el interno de la red eléctrica. Esto hace sumamente necesario mantener una valoración continua y constante de los equipos. Una limitante de la prueba, es que los equipos desarrollados en su mayoría, tal y como se describió, en el artículo, fueron concebidos, para pruebas de laboratorio, [¹¹][¹²][¹³] bajo condiciones controladas de ruido. No obstante, hoy día, se pueden adquirir equipos acústicos, en los cuales se puede detectar por medios acústicos la presencia de descargas parciales. No obstante, esta técnica presenta algunas limitaciones técnicas, que siempre dan pie a la utilización de las técnicas clásicas de evaluación.

Conclusiones

La prueba de descargas parciales es una prueba no invasiva y de gran importancia para el análisis de máquinas eléctricas. Dicha técnica requiere de un gran conocimiento del equipo a analizar tanto en aspectos constructivos, operativos y de mantenimiento a fin de facilitar su interpretación pues esta puede variar según la perspectiva que se analice. Dicha prueba requiere de un amplio conocimiento de materiales dieléctricos pues la afectación se da directamente sobre estos. En esencia se requiere mantener íntegros los aislamientos a través del tiempo pues estos deben ser capaces de tener soportabilidad ante cualquier sobretensión ya sea de origen externo como interno y de esta manera prolongar la vida útil de un transformador y aprovechar al máximo dicho activo que es tan valioso.

Por esta razón, las buenas prácticas en mantenimiento y operación, logrará que un transformador de potencia no sea más apto para generar descargas parciales destructivas y estas a su vez inicien un punto de falla que pueda llegar a ser letal sobre todo para el cliente asociado a dicha máquina.

Recomendaciones

La técnica desarrollada en transformadores de potencia ha sido desarrollada ampliamente para equipos estacionarios de laboratorio, asociada a algunas pruebas especiales como sobretensión inducida. No obstante, gran parte de la investigación puede re-direccionarse en la investigación de descargas parciales cuantificables en línea y no por medios acústicos, como hasta la fecha ha sido.

A través de los años ha habido una cantidad importante de investigación que puede ser valorada en trabajos de grado y posgrado. De esta manera se puede explotar el conocimiento de las universidades para este fin y lograr no solo sistemas más eficientes y eficaces sino más económicos.

Lista de Abreviaturas

IEC: International Electrotechnical Commission

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers DP: Descargas Parciales pC: pico Coulomb

RIV: Tensión de Radio Interferencia

ACLD: Prueba de larga Duración AC

ASCD: Prueba de corta Duración AC