En ingeniería eléctrica , la descarga parcial ( PD ) es una ruptura dieléctrica localizada (DB) (que no une completamente el espacio entre los dos conductores) de una pequeña porción de un sistema de aislamiento eléctrico (EI) sólido o fluido bajo alta tensión (HV ) estrés. Si bien una descarga de corona (CD) generalmente se revela por un brillo relativamente constante o una descarga de cepillo (BD) en el aire, las descargas parciales dentro del sistema de aislamiento sólido no son visibles.
La DP puede ocurrir en un medio aislante gaseoso, líquido o sólido. A menudo comienza dentro de vacíos de gas, como vacíos en el aislamiento de epoxi sólido o burbujas en el aceite de transformador. Las descargas parciales prolongadas pueden erosionar el aislamiento sólido y eventualmente provocar la ruptura del aislamiento.
Mecanismo de descarga
La DP generalmente comienza dentro de huecos, grietas o inclusiones dentro de un dieléctrico sólido , en interfaces conductor- dieléctrico dentro de dieléctricos sólidos o líquidos, o en burbujas dentro de dieléctricos líquidos . Dado que los DP están limitados a solo una parte del aislamiento, las descargas solo unen parcialmente la distancia entre los electrodos . La DP también puede ocurrir a lo largo del límite entre diferentes materiales aislantes.
Las descargas parciales dentro de un material aislante generalmente se inician dentro de los huecos llenos de gas dentro del dieléctrico. Debido a que la constante dieléctrica del vacío es considerablemente menor que el dieléctrico circundante, el campo eléctrico a través del vacío es significativamente más alto que el de una distancia equivalente del dieléctrico. Si la tensión de tensión a través del vacío aumenta por encima del voltaje de inicio de corona (CIV) para el gas dentro del vacío, la actividad de DP comenzará dentro del vacío.
La DP también puede ocurrir a lo largo de la superficie de materiales aislantes sólidos si el campo eléctrico tangencial de la superficie es lo suficientemente alto como para causar una ruptura a lo largo de la superficie del aislante. Este fenómeno se manifiesta comúnmente en los aisladores de las líneas aéreas, particularmente en los aisladores contaminados durante los días de alta humedad. Las líneas aéreas utilizan aire como medio de aislamiento.
Circuito equivalente de DP
El circuito equivalente de un dieléctrico que incorpora una cavidad puede modelarse como un divisor de voltaje capacitivo en paralelo con otro capacitor . El capacitor superior del divisor representa la combinación en paralelo de las capacitancias en serie con el vacío y el capacitor inferior representa la capacitancia del vacío. El condensador paralelo representa la capacitancia no evacuada restante de la muestra.
Corrientes de descarga parcial
Siempre que se inicia una descarga parcial, aparecerán pulsos de corriente transitoria de alta frecuencia y persistirán durante nanosegundos hasta un microsegundo, luego desaparecerán y reaparecerán repetidamente a medida que la onda sinusoidal de voltaje atraviesa el cruce por cero . La DP ocurre cerca del voltaje máximo tanto positivo como negativo. Los pulsos de DP son fáciles de medir utilizando el método HFCT. El HFCT es un transductor de corriente de "alta frecuencia" que se sujeta alrededor de la tierra de la carcasa del componente que se está probando. La gravedad de la DP se mide midiendo el intervalo de ráfagas entre el final de una ráfaga y el comienzo de la siguiente ráfaga. A medida que empeora la ruptura del aislamiento, el intervalo de ruptura se acortará debido a que la ruptura ocurre a voltajes más bajos. Este intervalo de ráfagas continuará acortándose hasta que se alcance un punto crítico de 2 milisegundos. En este punto de 2 ms, la descarga está muy cerca del cruce por cero y fallará con una descarga completa y una falla mayor. Es necesario utilizar el método HFCT debido a la pequeña magnitud y la corta duración de estos eventos de DP. El método HFCT se realiza mientras el componente que se está probando permanece energizado y cargado. Es completamente no intrusivo. Otro método para medir estas corrientes es poner una pequeña resistencia de medición de corriente en serie con la muestra y luego ver el voltaje generado en un osciloscopio a través de un cable coaxial emparejado .
Cuando se producen descargas eléctricas , arcos o chispas, las ondas electromagnéticas se propagan lejos del lugar de la falla en todas las direcciones que entran en contacto con el tanque del transformador y viajan a tierra (cable de tierra) donde se encuentra el HFCT para capturar cualquier EMI o EMP dentro del transformador, interruptor, PT. , CT, HV Cable, MCSG, LTC, LA, generador, grandes motores de alta tensión, etc. La detección de pulsos de alta frecuencia identificará la existencia de descargas parciales, arcos o chispas. Después de que se detecte la PD o el arco, el siguiente paso es localizar el área de falla. Utilizando el método de emisión acústica (AE), se colocan 4 o más sensores AE en la carcasa del transformador donde se recopilan los datos de onda AE y HFCT al mismo tiempo. El filtrado de paso de banda se utiliza para eliminar la interferencia de los ruidos del sistema.
Sistemas de medición y detección de descargas
Con la medición de descargas parciales, se puede evaluar la condición dieléctrica de los equipos de alto voltaje y se pueden detectar y ubicar los árboles eléctricos en el aislamiento. La medición de descargas parciales puede localizar la parte dañada de un sistema aislado.
Los datos recopilados durante la prueba de descarga parcial se comparan con los valores de medición del mismo cable recopilados durante la prueba de aceptación o con los estándares de control de calidad de fábrica. Esto permite una clasificación simple y rápida del estado dieléctrico (nuevo, muy envejecido, defectuoso) del dispositivo bajo prueba y se pueden planificar y organizar con anticipación las medidas apropiadas de mantenimiento y reparación.
La medición de descargas parciales se aplica a cables y accesorios con diversos materiales aislantes, como polietileno o cable recubierto de plomo con aislamiento de papel (PILC). La medición de descargas parciales se lleva a cabo de forma rutinaria para evaluar el estado del sistema de aislamiento de máquinas rotativas (motores y generadores), transformadores y aparamenta aislada en gas .
Sistema de medición de descargas parciales
Un sistema de medición de descargas parciales consta básicamente de:
- un cable u otro objeto que se está probando
- un condensador de acoplamiento de diseño de baja inductancia
- un suministro de alto voltaje con bajo ruido de fondo
- conexiones de alto voltaje
- un filtro de alto voltaje para reducir el ruido de fondo de la fuente de alimentación
- un detector de descargas parciales
- Software de PC para análisis
Un sistema de detección de descargas parciales para equipos de energía eléctrica energizados en servicio:
- un cable, transformador o cualquier equipo de potencia MV / HV
- Ancho de banda de detección de sensor de frecuencia ultraalta (UHF) 300 MHz-1,5 GHz
- Transformador de corriente de alta frecuencia (HFCT) Ancho de banda 500 kHz-50 MHz
- Micrófono ultrasónico con frecuencia central 40 kHz
- Sensor de contacto acústico con ancho de banda de detección 20 kHz - 300 kHz
- Sensor TEV o condensador de acoplamiento 3 MHz-100 MHz
- Sistema de análisis de fase resuelta para comparar la sincronización del pulso con la frecuencia de CA
El principio de medición de descargas parciales.
Se han inventado varios esquemas de detección de descargas y métodos de medición de descargas parciales desde que se comprendió la importancia de la DP a principios del siglo pasado. Las corrientes de descarga parcial tienden a ser de corta duración y tienen tiempos de subida en el ámbito de los nanosegundos . En un osciloscopio , las descargas aparecen como eventos de ráfaga espaciados uniformemente que ocurren en el pico de la onda sinusoidal. Los eventos aleatorios forman un arco o chispas. La forma habitual de cuantificar la magnitud de las descargas parciales es en pico culombios . La intensidad de la descarga parcial se muestra en función del tiempo.
Un análisis automático de los reflectogramas recopilados durante la medición de descargas parciales, utilizando un método denominado reflectometría en el dominio del tiempo (TDR), permite la ubicación de las irregularidades del aislamiento. Se muestran en un formato de mapeo de descargas parciales.
Una descripción relacionada con la fase de las descargas parciales proporciona información adicional, útil para la evaluación del dispositivo bajo prueba.
Configuración de calibración
El cambio de carga real que ocurre debido a un evento de DP no se puede medir directamente, por lo tanto, se usa la carga aparente en su lugar. La carga aparente (q) de un evento de DP es la carga que, si se inyecta entre los terminales del dispositivo bajo prueba , cambiaría el voltaje a través de los terminales en una cantidad equivalente al evento de DP. Esto se puede modelar mediante la ecuación:
La carga aparente no es igual a la cantidad real de carga cambiante en el sitio de DP, pero se puede medir y calibrar directamente. La 'carga aparente' generalmente se expresa en pico culombios .
Esto se mide calibrando el voltaje de los picos contra los voltajes obtenidos de una unidad de calibración descargada en el instrumento de medición. La unidad de calibración es de operación bastante simple y simplemente comprende un generador de onda cuadrada en serie con un capacitor conectado a través de la muestra. Por lo general, estos se activan ópticamente para permitir la calibración sin ingresar a un área peligrosa de alto voltaje. Los calibradores generalmente se desconectan durante la prueba de descarga.
Métodos de laboratorio
- Circuitos de detección de DP de banda ancha
- En banda ancha de detección , la impedancia comprende normalmente un bajo Q resonante en paralelo del circuito RLC . Este circuito tiende a atenuar el voltaje de excitación (generalmente entre 50 y 60 Hz ) y amplificar el voltaje generado por las descargas.
- Circuitos de detección sintonizados (banda estrecha)
- Métodos de puente de descarga diferencial
- Métodos acústicos y ultrasónicos
Métodos de prueba de campo
Las mediciones de campo excluyen el uso de una jaula de Faraday y el suministro de energía también puede ser un compromiso con el ideal. Por lo tanto, las mediciones de campo son propensas al ruido y, en consecuencia, pueden ser menos sensibles. [1] [2]
Las pruebas de DP de calidad de fábrica en el campo requieren equipos que pueden no estar fácilmente disponibles, por lo que se han desarrollado otros métodos para la medición de campo que, aunque no son tan sensibles o precisos como las mediciones estandarizadas, son sustancialmente más convenientes. Por necesidad, las mediciones de campo deben ser rápidas, seguras y sencillas para que los propietarios y operadores de activos de MT y AT las apliquen de forma generalizada.
Los voltajes de tierra transitorios (TEV) son picos de voltaje inducidos en la superficie de la estructura metálica circundante. Las TEV fueron descubiertas por primera vez en 1974 por el Dr. John Reeves [3] de EA Technology . Las TEV ocurren porque la descarga parcial crea picos de corriente en el conductor y, por lo tanto, también en el metal conectado a tierra que rodea al conductor. El Dr. John Reeves estableció que las señales de TEV son directamente proporcionales a la condición del aislamiento para todos los interruptores del mismo tipo medidos en el mismo punto. Las lecturas de TEV se miden en dBmV. Los pulsos TEV están llenos de componentes de alta frecuencia y, por lo tanto, la estructura metálica conectada a tierra presenta una impedancia considerable a tierra. Por tanto, se generan picos de tensión. Éstos permanecerán en la superficie interior de la estructura metálica circundante (hasta una profundidad de aproximadamente 0,5 µm en acero dulce a 100 MHz) y rodearán la superficie exterior donde haya una discontinuidad eléctrica en la estructura metálica. Existe un efecto secundario por el cual las ondas electromagnéticas generadas por la descarga parcial también generan VET en la estructura metálica circundante, la estructura metálica circundante actúa como una antena. Las TEV son un fenómeno muy conveniente para medir y detectar descargas parciales, ya que pueden detectarse sin hacer una conexión eléctrica ni quitar ningún panel. Si bien este método puede ser útil para detectar algunos problemas en el dispositivo de conmutación y el seguimiento de la superficie en los componentes internos, es probable que la sensibilidad no sea suficiente para detectar problemas dentro de los sistemas de cables dieléctricos sólidos.
La medición ultrasónica se basa en el hecho de que la descarga parcial emitirá ondas sonoras. La frecuencia de las emisiones es de naturaleza de ruido "blanco" y, por lo tanto, produce ondas de estructura ultrasónicas a través del componente eléctrico lleno de sólido o líquido. Usando un sensor ultrasónico de estructura en el exterior del artículo bajo examen, la descarga parcial interna se puede detectar y ubicar cuando el sensor se coloca más cerca de la fuente.
Método HFCT Este método es ideal para detectar y determinar la gravedad de la EP mediante la medición del intervalo de ráfagas. Cuanto más se acercan las ráfagas al "cruce de voltaje cero", más grave y crítica es la falla de DP. La ubicación del área de falla se logra usando AE descrito anteriormente.
La detección de campo electromagnético recoge las ondas de radio generadas por la descarga parcial. Como se señaló anteriormente, las ondas de radio pueden generar TEV en la estructura metálica circundante. Se pueden lograr mediciones más sensibles, particularmente a voltajes más altos, utilizando antenas UHF integradas o antenas externas montadas en espaciadores aislantes en la estructura metálica circundante.
La detección del acoplador direccional capta las señales que emanan de una descarga parcial. Este método es ideal para juntas y accesorios, con los sensores ubicados en las capas de semiconductores en la junta o accesorio. [4]
Efectos de las descargas parciales en los sistemas de aislamiento.
Una vez iniciada, la DP provoca un deterioro progresivo de los materiales aislantes, lo que finalmente conduce a una avería eléctrica . Los efectos de la DP en los cables y equipos de alto voltaje pueden ser muy graves y, en última instancia, provocar una falla total. El efecto acumulativo de las descargas parciales dentro de los dieléctricos sólidos es la formación de numerosos canales de descarga ramificados y parcialmente conductores, un proceso llamado formación de árboles . Los sucesos repetidos de descarga provocan un deterioro mecánico y químico irreversible del material aislante. El daño es causado por la energía disipada por electrones o iones de alta energía , la luz ultravioleta de las descargas, el ozono que ataca las paredes vacías y el agrietamiento a medida que los procesos de descomposición química liberan gases a alta presión. La transformación química del dieléctrico también tiende a aumentar la conductividad eléctrica del material dieléctrico que rodea los huecos. Esto aumenta la tensión eléctrica en la región del hueco (hasta ahora) no afectada, acelerando el proceso de ruptura. Varios dieléctricos inorgánicos, incluidos el vidrio , la porcelana y la mica , son significativamente más resistentes al daño por DP que los dieléctricos orgánicos y poliméricos .
En los cables de alto voltaje con aislamiento de papel, las descargas parciales comienzan como pequeños orificios que penetran en los devanados de papel adyacentes al conductor eléctrico o la cubierta exterior. A medida que avanza la actividad de la DP, las descargas repetitivas eventualmente causan cambios químicos permanentes dentro de las capas de papel afectadas e impregna el fluido dieléctrico. Con el tiempo, se forman árboles carbonizados parcialmente conductores. Esto ejerce una mayor presión sobre el aislamiento restante, lo que provoca un mayor crecimiento de la región dañada, un calentamiento resistivo a lo largo del árbol y una mayor carbonización (a veces llamado seguimiento ). Esto eventualmente culmina en la falla dieléctrica completa del cable y, típicamente, en una explosión eléctrica .
Las descargas parciales disipan energía en forma de calor, sonido y luz. El calentamiento localizado de la DP puede causar la degradación térmica del aislamiento. Aunque el nivel de calentamiento de DP es generalmente bajo para CC y frecuencias de línea de energía, puede acelerar fallas dentro de equipos de alta frecuencia de alto voltaje. La integridad del aislamiento en equipos de alto voltaje se puede confirmar monitoreando las actividades de DP que ocurren a lo largo de la vida útil del equipo. Para garantizar la confiabilidad del suministro y la sostenibilidad operativa a largo plazo, las DP en los equipos eléctricos de alto voltaje deben monitorearse de cerca con señales de alerta temprana para su inspección y mantenimiento.
La EP generalmente se puede prevenir mediante un diseño cuidadoso y una selección de materiales. En equipos críticos de alta tensión, la integridad del aislamiento se confirma mediante el uso de equipos de detección de DP durante la etapa de fabricación, así como periódicamente a lo largo de la vida útil del equipo. La prevención y detección de DP son esenciales para garantizar un funcionamiento confiable y a largo plazo de los equipos de alto voltaje utilizados por las empresas de energía eléctrica .
Monitoreo de eventos de descargas parciales en transformadores y reactores
Utilizando acopladores y sensores UHF, las señales de descarga parcial se detectan y se transportan a una unidad de control maestra donde se aplica un proceso de filtrado para rechazar la interferencia. La amplitud y frecuencia de los pulsos de descarga parcial UHF se digitalizan, analizan y procesan para generar una salida de datos de descarga parcial apropiada, control de supervisión y alarma de adquisición de datos ( SCADA ). Dependiendo del proveedor del sistema, las salidas de descarga parcial son accesibles a través de una red de área local, a través de un módem o incluso a través de un visor basado en la web.
Normas internacionales y guías informativas
- IEC 60060-2: 1989 Técnicas de prueba de alto voltaje - Parte 2: Sistemas de medición
- IEC 60270: 2000 / BS EN 60270: 2001 "Técnicas de prueba de alto voltaje - Mediciones de descargas parciales"
- IEC 61934: 2006 "Materiales y sistemas de aislamiento eléctrico - Medición eléctrica de DP con tiempos de subida cortos e impulsos de tensión repetitivos"
- IEC 60664-4: 2007 "Coordinación de aislamiento para equipos dentro de sistemas de bajo voltaje - Parte 4: Consideración del estrés por voltaje de alta frecuencia"
- IEC 60034-27: 2007 "Máquinas eléctricas rotativas - Mediciones de descargas parciales fuera de línea en el aislamiento del devanado del estator de máquinas eléctricas rotativas"
- IEEE Std 436 ™ -1991 (R2007) "Guía IEEE para realizar mediciones de corona (descarga parcial) en transformadores electrónicos"
- IEEE 1434-2000 "Guía de prueba de uso de IEEE para la medición de descargas parciales en maquinaria rotativa"
- IEEE 400-2001 "Guía IEEE para pruebas de campo y evaluación del aislamiento de sistemas de cables de alimentación blindados"
Ver también
- Mantenimiento bajo condiciones
- Monitoreo de condición
- Análisis de gas disuelto
- Generador eléctrico
- Motor eléctrico
- Distribución de energía eléctrica
- Transmisión de energía eléctrica
- Subestacion electrica
- Arboles eléctricos
- Subestación de control
- Transformador
- Descarga electrostática
- Medidas electricas
Referencias
- ^ Avances de DF Warne en ingeniería de alto voltaje , Institución de ingenieros eléctricos , 2004 ISBN 0-85296-158-8 , página 166
- ^ Davies, N .; Jones, D. (12 de junio de 2008). "Prueba de aparamenta de distribución para descarga parcial en el laboratorio y en el campo". Registro de la conferencia del Simposio Internacional IEEE 2008 sobre Aislamiento Eléctrico . IEEE . págs. 716–719. doi : 10.1109 / ELINSL.2008.4570430 . ISBN 978-1-4244-2091-9.
- ^ Davies, N., Tang, JCY, Shiel, P., (2007), Beneficios y experiencias de las mediciones de descargas parciales no intrusivas en conmutadores de MT, CIRED 2007, documento 0475.
- ^ Craatz P., Plath R., Heinrich R., Kalkner W .: Medición y ubicación sensibles de DP en el sitio mediante sensores de acoplador direccional en juntas prefabricadas de 110 kV, 11th ISH99, Londres, documento 5.317 P5
Bibliografía
- Fundamentos de ingeniería de alto voltaje, E. Kuffel, WS Zaengl, pub. Pergamon Press. Primera edición, 1992 ISBN 0-08-024213-8
- Dieléctricos de ingeniería, Volumen IIA, Propiedades eléctricas de materiales aislantes sólidos: Estructura molecular y comportamiento eléctrico, R. Bartnikas, R. M Eichhorn, Publicación técnica especial de ASTM 783, ASTM, 1982
- Dieléctricos de ingeniería, Volumen I, Medición e interpretación de corona, R. Bartnikas, EJ McMahon, Publicación técnica especial ASTM 669, ASTM, 1979, ISBN 0-8031-0332-8
- Electricity Today, mayo de 2009, páginas 28 - 29
- Pommerenke D., Strehl T., Heinrich R., Kalkner W., Schmidt F., Weißenberg W .: Discriminación entre DP interno y otros pulsos utilizando sensores de acoplamiento direccional en sistemas de cables de alta tensión, transacciones IEEE sobre dieléctricos y aislamiento eléctrico, vol. .6, n. ° 6, diciembre de 99, págs. 814–824
enlaces externos
- ¿Qué es la descarga parcial?
- ¿Qué es la descarga parcial (DP)?
- ¿Qué es la descarga parcial (DP)?
- Medición y análisis de descargas parciales en defectos típicos en GIS
- documentos y recursos sobre el alta parcial