Monitoreo Off-Line Descargas Parciales Septiembre 2015

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Septiembre 2015
BOLETÍN MENSUAL PREPARADO POR WWW.MOTORTICO.COM, COSTA RICA
SEPTIEMBRE 2015
Monitoreo Off-Line de descargas parciales en
máquinas rotativas
Oscar Núñez M., Editor Motortico.Com, Costa Rica
Julio Sepúlveda N., Gerente Operaciones Ferroman SA, Chile
Las descargas parciales en máquinas rotativas de media y alta tensión son un fenómeno desfavorable a largo plazo ya que se asocian
con fallas en su aislación. Es por esto que los fabricantes buscan suprimir y reducir sus efectos. Por su parte, los usuarios usan técnicas
de monitoreo para detectarlas. En este artículo se revisarán las pruebas off-line
Reseña Histórica
En 1912 W. Petersen realizó el primer reporte de la ocurrencia de descargas parciales (DP) en equipos eléctricos, por medio de
observaciones visuales y audibles. Posteriormente, H. Schering realizó las primeras mediciones en términos de su influencia en la variable
tan δ. Pero no fue hasta la aparición del tubo de rayos catódicos y el osciloscopio en 1932, que la incertidumbre asociada con este nuevo
fenómeno se empezó a develar. Después de 1940, su medición y localización reporta un creciente interés en la investigación, lo cual se
asocia fuertemente con la evolución tecnológica en instrumentos de medición y el conocimiento de su naturaleza.
Definición
Se define DP como una descarga de baja energía, localizada en un micro volumen (vacío, burbuja o vacuola de aire), sin compromiso del
aislante entre los electrodos sometidos a una solicitación de tensión. La descarga significa conducción de corriente por el aire y esta se
produce al sobrepasar cierto nivel de esfuerzo de campo eléctrico. La Fig. 1 muestra la presencia de vacuolas indeseables en el interior de
los devanados.
Fig. 1 Detalle de los vacíos en el devanado
La zona de la vacuola muestra una considerable menor permitividad (Tendencia de un material a polarizarse en presencia de un campo
eléctrico para anular parcialmente el campo en su interior) que el aislante que la rodea, aumentando la concentración de campo eléctrico,
lo que provoca la descarga localizada. La DP implica un desplazamiento de cargas en un tiempo muy breve (nanosegundos).
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Mecanismo de falla
La DP se origina en la vacuola de aire, pero empieza a dañar la aislación sólida circundante, esto es: i) erosiona por efecto eléctrico; y ii)
degrada por efecto químico. Esto significa que el material aislante sufre un envejecimiento aumentado, que puede provocar una falla en
meses o años, desencadenando un proceso de arborescencia (treeing) de corta duración. Finalmente, si el fenómeno no fue controlado, se
concluye con la ruptura franca, y la salida de servicio de la máquina. En ciertas máquinas rotativas, no es factible la anulación completa de
las DP, por lo que se debe aceptar su presencia y deberá medirse periódicamente para anticipar un aumento peligroso.
Detección y localización
Las pruebas de DP son relevantes en máquinas rotativas con devanados preformados de 2300V y más (en MT y AT), aunque se han
encontrado aplicaciones en máquinas con devanados aleatorios alimentadas con variador electrónico de velocidad (en BT). La existencia
de DP puede ser una tarea difícil de detectar, en general pasan desapercibidas en los ensayos dieléctricos convencionales. Se han
desarrollado métodos de detección a través de luminosidad, calor, sonido, ultrasónico, y químicos. Sin embargo, este artículo se enfoca
en métodos eléctricos.
En el fenómeno de DP es tan importante la detección/interpretación como la localización, ya que esto es requerido antes de llevar a cabo
acciones correctivas. La mayoría de ensayos de DP son realizados off-line, esto es con la máquina desconectada. Se requiere una fuente de
tensión externa para proveer la potencia CA que alimente el equipo en prueba. En la práctica, antes de realizar la medición se calibra el
instrumento con un patrón conocido. Luego se aplica el voltaje externo por fase, y las señales de DP son detectadas usando un capacitor y
una impedancia de acople. La Fig. 2 muestra un diagrama del circuito típico de medición de DP.
Fig. 2 Circuito de medición de DP y señal medida
La Fig. 2 muestra además la onda de tensión con que se alimenta la máquina y el patrón de DP. Cada vez que se alcanza el voltaje de
ruptura del gas se produce una DP. Esto pasa en el semi-ciclo positivo y negativo. Las DP tienden a concentrarse a partir de los pasos por
cero de la tensión aplicada. Al aumentar la tensión aumentará el número de eventos de DP, no así su magnitud, que aumentaría sólo en
caso que la vacuola aumente de tamaño. La cuantificación de la DP se hace en carga aparente, la cual es transferida durante la descarga,
usualmente en unidades de pC (pico Coulomb).
Las técnicas de localización más utilizadas utilizan detectores ultrasónicos y señales eléctricas, que establecen el punto donde se origina la
DP dentro del devanado del motor o generador. Con esto es posible considerar las posibles acciones correctivas.
Caso de estudio
Para ilustrar lo expuesto en este artículo, se presenta el estudio de una máquina por medio de ensayos reales de DP. La Fig. 3 es la ficha
técnica resumen del caso.
Máquina en prueba
Motor eléctrico sincrónico, 6000HP, 13.8kV, 50Hz, 4 polos, aplicado
en soplador industrial
Voltaje de prueba
7.61kV
Modo de falla
Actividad fuera de lo normal en el semi-ciclo positivo de la onda
senoidal
Análisis de falla
Luego del desarme se comprueba la presencia de descargas parciales
en las cabezas de bobina
Fig. 3 Ficha técnica del ensayo de DP en el
caso de estudio
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No se detecta contaminación excesiva (normal)
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La Fig. 4 muestra la actividad de DP en el motor previo a su desarme, específicamente se puede ver: i) arriba aparece la magnitud de las
descargas junto con la fase; y ii) abajo aparece la distribución de cantidad de descargas. La teoría indica que actividad de DP prominente
en el semi-ciclo positivo puede ser por alguna de las siguientes causas: i) descargas internas en la bobina, con tendencia a estar más
próxima al cobre; y/o ii) descargas de superficie. En concreto lo que se verificó es la existencia de efecto corona en las cabezas de bobinas,
en sus caras laterales de distinta fase (de mayor potencial, ya que eran la bobinas de entrada de fase).
El punto mostrado con
la flecha indica baja
repetitividad de DP, lo
que se relaciona con la
causante del deterioro
del aislante superficial
de las bobinas.
Fig. 4 Distribuciones estadísticas en ventanas de tiempo de DP (Cortesía de Ferroman S.A.)
Posterior a las pruebas, el motor fue desarmado encontrándose zonas con alta actividad en las cabezas de bobina. La Fig. 5 muestra la
medición junto con la fotografía del daño.
Fig. 5 Medición de DP fase/carga junto con fotografía del daño (Cortesía de Ferroman S.A.)
Las DP presentadas en la Fig. 5 son provocadas por alguna de las siguientes causas: contaminación química, partículas metálicas flotantes
que llegan al devanado, algún daño mecánico, o por el movimiento relativo del devanado terminal y los separadores.
Conclusión
El sistema de aislación es fundamental para la confiabilidad de las máquinas rotativas, por lo que debe ser monitoreado a lo largo de su
vida útil. El ensayo de DP es una técnica de mantención predictiva efectiva para apoyar a los responsables de la correcta operación de
máquinas rotativas de media y alta tensión.
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