Medida de Descargas Parciales en Sistemas de Alta Tensión

Una herramienta de gran utilidad para explotar al máximo los activos de las compañías eléctricas.

Si bien la medida de descargas parciales no es muy determinante en los sistemas de alta tensión con aislamiento en papel, los resultados de las medidas de campo realizadas durante los últimos años, han confirmado la medida de descargas par­ciales como una de las más significativas para ase­gurar la fiabilidad en los sistemas de alta tensión con aislamiento seco.

A pesar de que todos los componentes (cables, empalmes y terminales) de los sistemas de cable de alta tensión (66, 138, 220 y 400kV) salen de fábrica probados de descargas parciales, y por tanto con un nivel de descargas parciales por debajo de los límites máximos marcados para cada componente de acuerdo a los estándares internacionales.

Durante el proceso de instala­ción, a pesar de que el personal que realiza el tra­bajo para estos sistemas es altamente cualificado, se pueden ocasionar daños a los mismos o pro­ducirse algún fallo de instalación, dichos daños o fallos de instalación son susceptibles de generar la aparición de descargas parciales en el sistema que de no ser detectadas a tiempo, pueden poner en peligro el buen funcionamiento del mismo.

Por otra parte,los sistemas de cable de alta ten­sión a lo largo de su vida se encuentran expues­tos a sus propias condiciones de explotación y a agentes externos que pueden provocar la apari­ción de descargas parciales que pueden ser igual­mente peligrosas.

Con el fin de evitar posibles fallos del sistema, es altamente recomendable, por no decir necesaria,la medida de descargas parciales después de instalación, así como cada cierto período de tiempo (a determinar en cada caso en función del estado de la línea). Idealmente la monitorización conti­nua sería lo más deseable, pero hoy en día el coste de estos sistemas sigue siendo demasiado elevado como para hacerlo viable.

Actualmente, la mejor relación coste-beneficio lo aporta el establecimiento de un régimen planifica­do de medidas periódicas de descargas parciales.

No hace falta decir que el coste de estas medidas es irrisorio comparado con el coste que supone un fallo en el suministro de energía que pudiera haber sido evitado con las prácticas aquí expuestas.

Los objetivos de la medida periódica de descar­gas parciales son:

• Evitar o minimizar el black out por fallo de los componentes del sistema.
• Planificar con antelación la sustitución de com­ponentes que sean susceptibles de poder fallar.

En el presente artículo presentamos el sistema de medida de descargas parciales utilizado por Prys­mian para las medidas en campo, el cual se ha revelado como altamente efectivo.

Conceptos Básicos sobre descargas parciales

La materia está compuesta por átomos

Recordemos, un condensador ideal esta com­puesto por dos superficies conductoras separadas por un dieléctrico con constante dieléctrica ε, su capacidad depende de la geometría y de la posi­ción relativa de la armadura y el dieléctrico.

La carga acumulada en un condensador sometido a una diferencia e potencial se puede expresar como

q = C*U (Coulomb)

y la energía almacena en el condensador como

E =           • C U² [J]

1

2

Al ir aumentando la tensión en bornes del con­densador llega un momento en que se produce la ruptura del dieléctrico y el condensador se des­carga liberando la energía en él almacenada, dicha tensión de ruptura la podemos expresar como:

ε

Urup = d

Un cable o un empalme se puede modelar trans­versalmente por un condensador

Si dicho cable o empalme tiene un defecto, como por ejemplo una vacuola, entonces su modelo equivalente transversal serían dos condensadores en serie, uno equivalente a la capacidad del cable sin defecto en serie con otro equivalente a la capacidad del defecto.

Al aplicar tensión al cable, entre semiconductoras tendremos la tensión de fase (en rojo), y entre los extremos del defecto tendremos una tensión (en azul) de nivel inferior a la aplicada entre semicon­ductoras pero que puede llegar a ser superior a la tensión de ruptura del condensador que forma

Siendo Cd la capacidad del defecto, la energía de la descarga será

La carga (pC) de la descarga parcial, es la integral de la forma de onda de la corriente de descarga con el tiempo.

Las preguntas fundamentales

Sin duda alguna debemos tener los sistemas fun­cionando “libres” de descargas parciales, pero en caso de que en algún momento aparezcan, lo más interesante es poder evitar el desastre y para ello poder:

• detectarlas a tiempo,
• discernirlas del ruido,
• localizar su ubicación,
  • Predecir el tipo de defecto que está origina­do la descarga, donde se encuentra el defecto radialmente.

de forma que podamos realizar un plan de actua­ción para sustituir el elemento que las está origi­nando y devolver el sistema a su funcionamiento con plenas garantías en el menor plazo de tiem­po antes de que se produzca una perforación del aislamiento.

¿Qué necesitamos para medir las descargas par­ciales?

• Sensores
• Equipos de adquisición y procesado de señal

Empecemos viendo los tipos de sensores que podemos utilizar para captar las descargas parcia­les en campo.

Tipos de sensores

Con el fin de poder ensayar de manera fiable tanto los sistemas de nueva instalación como los sistemas ya existentes, utilizamos diversos tipos de sensores para obtener la máxima sensibilidad de medida en cada escenario.

diagrama que por lo general nos permite registrar la actividad de descargas parciales con buena fiabilidad en un entorno “sin ruido” (típicamente dentro de una Jaula de Faraday en un laboratorio), pero en la realidad las medidas de campo se ven afectadas por una inmensa cantidad de ruido proveniente de un amplio abanico de fuentes de distinta naturaleza.

Situación de los transformadores de corriente de alta frecuencia para la medida en una caja cross bonding en campo.

Equipos de adquisición y procesado de Señal

Por norma general, todos los equipos del mercado para obtener mayor información, el sistema regis­tra la forma de onda completa de la descarga caracterizando tiempos de subida y bajada, análi­sis espectral, para mostrarlo en el llamado mapa de clasificación.

Con el fin de poder discernir las descargas par­ciales reales que pueda haber en el interior del sistema, utilizamos un sistema que, además de registrar el diagrama fase-amplitud, es capaz de registrar la forma de onda completa de la descar­ga parcial. Una vez registradas estas formas de onda son procesadas y representadas en un dia­grama tiempo-ancho de banda medio, desde donde con un adecuado filtrado de las señales y métodos estadísticos basados en procesos esto­cásticos, se permite en gran medida eliminar el ruido del entorno y poder ver de forma clara las descargas parciales.

A pesar de que el sistema es semi inteligente, la interpretación final siempre es tomada por un experto quien decide el veredicto de la medida.

El patrón de descargas parciales básico registra la amplitud del impulso de la descarga y su distribu­ción respecto a la fase de la tensión, para obtener mayor información, el sistema regis­tra la forma de onda completa de la descarga caracterizando tiempos de subida y bajada, análi­sis espectral, para mostrarlo en el llamado mapa de clasificación.

• 1 generador hasta 50 kV

•       1 generador hasta 100 kV
•       2 generadores hasta 150 kV
•       1 generador hasta 160 kV
•       2 generadores hasta 260 kV
•       1 generador hasta 400 kV

El método de ensayo es el siguiente:

•    Si el sistema no dispone de sensores internos, se instalan sensores externos.
•    Se calibran los sensores.
•    El sistema es energizado sin carga.
•    La actividad de DP, en caso de que exista, puede ser monitorizada en uno a más acceso­rio

A partir del cual podemos identificar distintas nubes de datos correspondientes a distintas cla­ses de impulsos. Por ejemplo, la nube 1 tendría la siguiente clase de descarga, subclase patrón y un primer nivel de identificación automático que lo clasifica como ruido.

Los defectos detectables son todas aquellas no conformidades que originan un alto gradiente eléctrico o falta de material causantes de descar­gas parciales como:

• Vacuolas de aire
• Cortes
  • Mal posicionamiento de elementos semicon­ductivos
  • Arborescencias eléctricas
  • Protrusiones

Para terminar hablaremos de forma breve de los distintos métodos de ensayo:

Dependiendo de la fuente de tensión el ensayo se puede realizar en servicio (el sistema es ali­mentado por la propia red) o fuera de servicio (el sistema es alimentado por un equipo resonan­te independiente de la red).

El ensayo en servicio es adecuado para la moni­torización continua, mientras que el ensayo con equipo resonante es adecuado para los ensayos después de instalación después de la reparación de algún componente o para el mantenimiento predictivo, ya que de este modo se permite realizar el ensayo a una tensión superior a la de la red.

La siguiente tabla comparativa intenta exponer las ventajas y los inconvenientes de los dos métodos de ensayo expuestos.

En Prysmian disponemos de una gran flota de equipos resonantes móviles para alimentación en alterna, más concretamente disponemos de:

Como norma general no es técnicamente correc­to garantizar a priori un nivel de sensibilidad para medidas en campo aplicable a todos los sistemas, de acuerdo con esta premisa el nivel de sensibili­dad para medidas en campo será definido en cada caso en función del escenario donde se encuentre.

Imaginemos un circuito con n cámaras de empal­me, si disponemos de N equipos PDbase, siendo N<n entonces deberemos utilizar el método secuencial midiendo cada vez N emplames, de forma que deberemos realizar n/N ensayos para probar todos los empalmes de una fase, éste es el llamado método secuencial.

Por el contrario, si disponemos de N unidades PDbase con capacidad de telecontrol, siedo N>n entonces se pueden realizar las medidas de todos los empalmes de una fase a la vez, este es el llamado método simultáneo.