En ingeniería eléctrica , la formación de árboles es un fenómeno eléctrico previo a la ruptura en el aislamiento sólido . Es un proceso dañino por descargas parciales y progresa a través del aislamiento dieléctrico estresado , en un camino que se asemeja a las ramas de un árbol . La formación de árboles de aislamiento sólido de cables de alto voltaje es un mecanismo de ruptura común y una fuente de fallas eléctricas en los cables eléctricos subterráneos.
Otras ocurrencias y causas
La formación de árboles eléctricos ocurre primero y se propaga cuando un material dieléctrico seco se somete a un esfuerzo de campo eléctrico alto y divergente durante un largo período de tiempo. Se observa que la formación de árboles eléctricos se origina en puntos donde las impurezas, los vacíos de gas , los defectos mecánicos o las proyecciones conductoras causan una tensión excesiva del campo eléctrico dentro de pequeñas regiones del dieléctrico. Esto puede ionizar gases dentro de los vacíos dentro del dieléctrico a granel, creando pequeñas descargas eléctricas entre las paredes del vacío. Una impureza o defecto puede incluso resultar en la ruptura parcial del propio dieléctrico sólido. La luz ultravioleta y el ozono de estas descargas parciales (PD) luego reaccionan con el dieléctrico cercano, descomponiéndose y degradando aún más su capacidad aislante. Los gases a menudo se liberan a medida que el dieléctrico se degrada, creando nuevos huecos y grietas. Estos defectos debilitan aún más la rigidez dieléctrica del material, aumentan la tensión eléctrica y aceleran el proceso de DP.
Árboles de agua y árboles eléctricos
En presencia de agua, se puede formar una estructura difusa, parcialmente conductora en forma de pluma 3D, llamada árbol de agua , dentro del dieléctrico de polietileno utilizado en cables de alto voltaje enterrados o sumergidos en agua. Se sabe que la pluma consiste en una red densa de canales llenos de agua extremadamente pequeños que están definidos por la estructura cristalina nativa del polímero. Los canales individuales son extremadamente difíciles de ver usando un aumento óptico, por lo que su estudio generalmente requiere el uso de un microscopio electrónico de barrido (SEM).
Los árboles de agua comienzan como una región microscópica cerca de un defecto. Luego crecen bajo la presencia continua de un alto campo eléctrico y agua. Los árboles de agua pueden eventualmente crecer hasta el punto en que unen la capa de tierra exterior al conductor central de alto voltaje, punto en el cual la tensión se redistribuye a través del aislamiento. Los árboles de agua generalmente no son un problema de confiabilidad a menos que puedan iniciar un árbol eléctrico.
Otro tipo de estructura en forma de árbol que se puede formar con o sin la presencia de agua se llama árbol eléctrico . También se forma dentro de un dieléctrico de polietileno (así como muchos otros dieléctricos sólidos). Los árboles eléctricos también se originan donde los aumentos de tensión en el volumen o en la superficie inician la ruptura dieléctrica en una pequeña región del aislamiento. Esto daña permanentemente el material aislante en esa región. El crecimiento adicional de los árboles se produce a través de pequeños eventos de ruptura eléctrica adicionales (llamados descargas parciales ). El crecimiento de los árboles eléctricos puede acelerarse mediante cambios rápidos de voltaje, como las operaciones de conmutación de servicios públicos. Además, los cables inyectados con CC de alto voltaje también pueden desarrollar árboles eléctricos con el tiempo a medida que las cargas eléctricas migran al dieléctrico más cercano al conductor de AT. La región de carga inyectada (llamada carga espacial ) amplifica el campo eléctrico en el dieléctrico, estimulando una mayor mejora de la tensión y la iniciación de árboles eléctricos como el sitio de mejoras de tensión preexistentes. Dado que el árbol eléctrico en sí es típicamente parcialmente conductor, su presencia también aumenta la tensión eléctrica en la región entre el árbol y el conductor opuesto.
A diferencia de los árboles acuáticos, los canales individuales de los árboles eléctricos son más grandes y se ven más fácilmente. [1] [2] La formación de árboles ha sido un mecanismo de falla a largo plazo para cables eléctricos de alto voltaje aislados con polímero enterrados , reportado por primera vez en 1969. [3] De manera similar, los árboles 2D pueden ocurrir a lo largo de la superficie de un dieléctrico altamente estresado. , oa través de una superficie dieléctrica que ha sido contaminada por polvo o sales minerales. Con el tiempo, estos rastros parcialmente conductores pueden crecer hasta causar una falla completa del dieléctrico. El rastreo eléctrico, a veces llamado bandas secas , es un mecanismo de falla típico para los aisladores de energía eléctrica que están sujetos a la contaminación por niebla salina a lo largo de las costas. Los patrones ramificados 2D y 3D a veces se denominan figuras de Lichtenberg .
Los árboles eléctricos o "figuras de Lichtenberg" también ocurren en equipos de alto voltaje justo antes de la avería. Seguir estas cifras de Lichtenberg en el aislamiento durante la investigación post mortem del aislamiento averiado puede ser muy útil para encontrar la causa de la avería. Un ingeniero de alto voltaje experimentado puede ver desde la dirección y el tipo de árboles y sus ramas donde se encuentra la causa principal de la avería y posiblemente encontrar la causa. Transformadores averiados, cables de alto voltaje, pasatapas y otros equipos pueden ser investigados de manera útil de esta manera; el aislamiento se desenrolla (en el caso del aislamiento de papel) o se corta en rodajas finas (en el caso de los sistemas de aislamiento sólido), los resultados se dibujan y fotografían y forman un archivo útil del proceso de avería.
Tipos de árboles eléctricos
Los árboles eléctricos se pueden categorizar aún más según los diferentes patrones de árboles. Estos incluyen dendritas, tipo de rama, tipo de arbusto, picos, cuerdas, pajaritas y árboles ventilados. Los dos tipos de árboles más comunes son los árboles de pajarita y los árboles ventilados. [4]
- Árboles de pajarita
- Los árboles de pajarita son árboles que comienzan a crecer desde el interior del aislamiento dieléctrico y crecen simétricamente hacia afuera, hacia los electrodos. Como los árboles comienzan dentro del aislamiento, no tienen un suministro de aire libre que permita el soporte continuo de descargas parciales. Por lo tanto, estos árboles tienen un crecimiento discontinuo, por lo que los árboles de pajarita generalmente no crecen lo suficiente como para unir completamente todo el aislamiento entre los electrodos, por lo que no causan fallas en el aislamiento.
- Árboles ventilados
- Los árboles ventilados son árboles que se inician en una interfaz de aislamiento de electrodos y crecen hacia el electrodo opuesto. Tener acceso al aire libre es un factor muy importante para el crecimiento de los árboles ventilados. Estos árboles pueden crecer continuamente hasta que son lo suficientemente largos como para tender un puente entre los electrodos, lo que provoca fallas en el aislamiento.
Detección y localización de árboles eléctricos
Los árboles eléctricos se pueden detectar y localizar mediante la medición de descargas parciales .
Como los valores de medición de este método no permiten una interpretación absoluta, los datos recopilados durante el procedimiento se comparan con los valores de medición del mismo cable recopilados durante la prueba. Esto permite una clasificación simple y rápida del estado dieléctrico (nuevo, muy envejecido, defectuoso) del cable bajo prueba.
Para medir el nivel de descargas parciales, se puede utilizar 50–60 Hz o, a veces, una tensión VLF ( frecuencia muy baja ) sinusoidal de 0,1 Hz . El voltaje de encendido, un criterio de medición importante, puede variar en más del 100% entre las mediciones de 50 a 60 Hz en comparación con una fuente de CA sinusoidal VLF ( frecuencia muy baja ) de 0,1 Hz a la frecuencia de alimentación (50 a 60 Hz) según lo ordenado por Estándares IEEE 48, 404, 386 y estándares ICEA S-97-682, S-94-649 y S-108-720. Los sistemas modernos de detección de DP emplean software de procesamiento de señales digitales para el análisis y la visualización de los resultados de las mediciones.
Un análisis de las señales de DP recopiladas durante la medición con el equipo adecuado puede permitir la gran mayoría de la ubicación de los defectos de aislamiento. Por lo general, se muestran en un formato de mapeo de descargas parciales. Se puede obtener información adicional útil sobre el dispositivo bajo prueba a partir de una descripción relacionada con la fase de las descargas parciales.
Un informe de medición suficiente contiene:
- Impulso de calibración (según IEC 60270) y detección de fin
- Ruido de fondo de la disposición de medición
- Tensión inicial de descarga parcial PDIV
- Nivel de descarga parcial a 1,7 Vo
- Tensión de extinción de descarga parcial PDEV
- Patrón de descarga parcial de fase resuelta PRPD para una interpretación avanzada del comportamiento de descarga parcial (opcional)
Ver también
Referencias
- ^ E. Moreau; C. Mayoux; C. Laurent (febrero de 1993), "The Structural Characteristics of Water Trees in Power Cables and Laboratory Specimens", IEEE Transactions on Electrical Insulation , IEEE, 28 (1): 54–64, doi : 10.1109 / 14.192240
- ^ Simmons, M. (2001). "Sección 6.6.2". En Ryan, Hugh M. (ed.). Ingeniería y pruebas de alta tensión (segunda ed.). La Institución de Ingenieros Eléctricos. pag. 266. ISBN 0-85296-775-6.
- ^ T. Miyashita (1971), "Deterioro del alambre revestido de polietileno sumergido en agua por la publicación Treeing = Proceedings 1969 IEEE-NEMA Electrical Insulation Conference", IEEE Transactions on Electrical Insulation , EI-6 (3): 129-135, doi : 10.1109 /TEI.1971.299145 , S2CID 51642905
- ^ Thue, William A. (1997). Aislamiento eléctrico en sistemas de potencia . CRC. págs. 255-256. ISBN 978-0-8247-0106-2.