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 alto voltaje (HV). ) estrés. Mientras que una descarga en corona (CD) generalmente se revela mediante un brillo relativamente constante o una descarga en cepillo (BD) en el aire, las descargas parciales dentro del sistema de aislamiento sólido no son visibles.
La PD puede ocurrir en un medio aislante gaseoso, líquido o sólido. A menudo comienza dentro de los huecos de gas, como los huecos en el aislamiento de epoxi sólido o las burbujas en el aceite de transformador. Una descarga parcial prolongada puede erosionar el aislamiento sólido y, finalmente, provocar su rotura.
La DP generalmente comienza dentro de huecos, grietas o inclusiones dentro de un dieléctrico sólido , en las interfaces conductor -dieléctrico dentro de dieléctricos sólidos o líquidos, o en burbujas dentro de dieléctricos líquidos . Dado que las PD se limitan solo a una parte del aislamiento, las descargas solo cubren parcialmente la distancia entre los electrodos . La PD 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 huecos llenos de gas dentro del dieléctrico. Debido a que la constante dieléctrica del vacío es considerablemente menor que la del dieléctrico circundante, el campo eléctrico a través del vacío es significativamente mayor que el que atraviesa una distancia equivalente del dieléctrico. Si la tensión de voltaje a través del vacío aumenta por encima del voltaje de inicio de corona (CIV) para el gas dentro del vacío, la actividad de PD 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 comúnmente se manifiesta en aisladores de líneas aéreas, particularmente en aisladores contaminados durante días de alta humedad. Las líneas aéreas utilizan el aire como medio aislante.
El circuito equivalente de un dieléctrico que incorpora una cavidad se puede modelar como un divisor de tensión capacitivo en paralelo con otro condensador . El capacitor superior del divisor representa la combinación paralela de las capacitancias en serie con el vacío y el capacitor inferior representa la capacitancia del vacío. El condensador en paralelo representa la capacitancia no anulada restante de la muestra.
Siempre que se inicia una descarga parcial, aparecerán pulsos de corriente transitoria de alta frecuencia que persistirán durante nanosegundos a un microsegundo, luego desaparecerán y reaparecerán repetidamente a medida que la onda sinusoidal de voltaje pasa por el cruce por cero . La PD ocurre cerca del voltaje máximo, tanto positivo como negativo. Los pulsos de PD son fáciles de medir utilizando el método del transductor de corriente de alta frecuencia (HFCT). El transductor de corriente está sujeto alrededor de la tierra de la caja del componente que se está probando. La gravedad de la EP se mide midiendo el intervalo de ráfaga entre el final de una ráfaga y el comienzo de la siguiente. A medida que la falla del aislamiento empeora, el intervalo de ráfaga se acortará debido a que la falla ocurre a voltajes más bajos. Este intervalo de ráfaga seguirá 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 importante. Es necesario utilizar el método HFCT debido a la pequeña magnitud y la corta duración de estos eventos de EP. 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 compatible .
Cuando se producen PD, arcos o chispas, las ondas electromagnéticas se propagan lejos del sitio de la falla en todas las direcciones, 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, disyuntor, PT. , CT, Cable HV, MCSG, LTC, LA, generador, grandes motores hv, etc. La detección de pulsos de alta frecuencia identificará la existencia de descargas parciales, arcos o chispas. Después de detectar PD o arcos, el siguiente paso es localizar el área de la 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.
Con la medición de descargas parciales se puede evaluar la condición dieléctrica de los equipos de alto voltaje y se puede detectar y localizar la distribución eléctrica en el aislamiento. La medición de descargas parciales puede localizar la parte dañada de un sistema aislado.
Los datos recopilados durante las pruebas 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 sencilla y rápida del estado dieléctrico (nuevo, muy envejecido, defectuoso) del dispositivo bajo prueba y se pueden planificar y organizar con antelación medidas adecuadas de mantenimiento y reparación.
La medición de descargas parciales es aplicable a cables y accesorios con diversos materiales de aislamiento, como polietileno o cables cubiertos 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 .
Un sistema de medición de descargas parciales consta básicamente de:
Un sistema de detección de descargas parciales para equipos de energía eléctrica energizados en servicio:
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 finales del siglo XX. Las corrientes de descarga parcial tienden a ser de corta duración y tienen tiempos de subida del orden de los nanosegundos . En un osciloscopio , las descargas aparecen como ráfagas uniformemente espaciadas que ocurren en el pico de la onda sinusoidal. Los eventos aleatorios forman arcos o chispas. La forma habitual de cuantificar la magnitud de las descargas parciales es en picoculombios . 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 localizar irregularidades en el aislamiento. Se muestran en un formato de mapeo de descargas parciales.
Una representación de las descargas parciales relacionada con las fases proporciona información adicional, útil para la evaluación del dispositivo bajo prueba.
El cambio de carga real que se produce debido a un evento de PD no se puede medir directamente; por lo tanto, en su lugar se utiliza la carga aparente . La carga aparente (q) de un evento de PD 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 PD. 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 puede medirse y calibrarse directamente. La 'carga aparente' suele expresarse en pico culombios .
Esto se mide calibrando el voltaje de los picos con los voltajes obtenidos de una unidad de calibración descargada en el instrumento de medición. La unidad de calibración es de funcionamiento bastante sencillo y simplemente comprende un generador de onda cuadrada en serie con un condensador 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 normalmente se desconectan durante la prueba de descarga.
Las mediciones de campo excluyen el uso de una jaula de Faraday y el suministro de energía también puede ser un compromiso con respecto a lo 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 tanto, se han desarrollado otros métodos para mediciones de campo que, si bien 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 ampliamente.
Los voltajes transitorios de tierra (TEV) son picos de voltaje inducidos en la superficie de la estructura metálica circundante. Los TEV fueron descubiertos por primera vez en 1974 por el Dr. John Reeves [3] de EA Technology. Los TEV se producen porque la descarga parcial crea picos de corriente en el conductor y, por tanto, también en el metal conectado a tierra que rodea al conductor. El Dr. John Reeves estableció que las señales TEV son directamente proporcionales a la condición del aislamiento de todas las aparamentas del mismo tipo medidas 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. Estos 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 circularán hacia la superficie exterior dondequiera que 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 TEV en la estructura metálica circundante: la estructura metálica circundante actúa como una antena. Los TEV son un fenómeno muy conveniente para medir y detectar descargas parciales, ya que se pueden detectar sin realizar una conexión eléctrica ni quitar ningún panel. Si bien este método puede ser útil para detectar algunos problemas en los interruptores 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 ruido "blanco" y, por lo tanto, produce ondas estructurales ultrasónicas a través del componente eléctrico lleno de sólido o líquido. Usando un sensor ultrasónico estructural 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 ráfaga. 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 capta 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 una antena externa montada sobre 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, ya que los sensores se ubican en las capas de semiconductores de la junta o accesorio. [4]
Una vez iniciada, la PD provoca un deterioro progresivo de los materiales aislantes, lo que finalmente conduce a una avería eléctrica . Los efectos de las DP en cables y equipos de alta tensión pueden ser muy graves y, en última instancia, provocar un fallo 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 arborización . Los eventos de descarga repetitivos causan 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 de la brecha (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 PD que los dieléctricos orgánicos y poliméricos .
En los cables de alta tensión aislados con papel, las descargas parciales comienzan como pequeños orificios que penetran en los devanados de papel adyacentes al conductor eléctrico o a la cubierta exterior. A medida que avanza la actividad de PD, las descargas repetitivas eventualmente causan cambios químicos permanentes dentro de las capas de papel afectadas y el fluido dieléctrico de impregnación. 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, calentamiento resistivo a lo largo del árbol y mayor carbonización (a veces llamado seguimiento ). Esto finalmente 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 por PD puede causar degradación térmica del aislamiento. Aunque el nivel de calentamiento de PD es generalmente bajo para CC y frecuencias de líneas eléctricas, puede acelerar fallas dentro de equipos de alto voltaje y alta frecuencia. La integridad del aislamiento en equipos de alto voltaje se puede confirmar monitoreando las actividades de DP que ocurren durante la vida útil del equipo. Para garantizar la confiabilidad del suministro y la sostenibilidad operativa a largo plazo, la DP en equipos eléctricos de alto voltaje debe monitorearse de cerca con señales de alerta temprana para inspección y mantenimiento.
Por lo general, la EP se puede prevenir mediante un diseño y una selección de materiales cuidadosos. En equipos críticos de alta tensión, la integridad del aislamiento se confirma mediante equipos de detección de PD durante la etapa de fabricación, así como periódicamente durante 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 .
Utilizando acopladores y sensores UHF, las señales de descarga parcial se detectan y se transportan a una unidad de control principal 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 alarma adecuada de salida de datos de descarga parcial, control de supervisión y adquisición de datos ( SCADA ). Dependiendo del proveedor del sistema, se puede acceder a las salidas de descarga parcial a través de una red de área local, a través de un módem o incluso a través de un visor basado en web.
