En ingeniería eléctrica , una descarga parcial ( PD ) es una ruptura dieléctrica localizada (DB) (que no cubre completamente el espacio entre los dos conductores) de una pequeña porción de un sistema de aislamiento eléctrico (EI) sólido o fluido bajo tensión de alto voltaje (HV). Si bien una descarga de corona (CD) generalmente se revela por un resplandor relativamente constante o una descarga de cepillo (BD) en el aire, las descargas parciales dentro de un sistema de aislamiento sólido no son visibles.
La descarga parcial puede producirse en un medio aislante gaseoso, líquido o sólido. A menudo comienza en huecos de gas, como huecos en el aislamiento de epoxi sólido o burbujas en el aceite del transformador. La descarga parcial prolongada puede erosionar el aislamiento sólido y, con el tiempo, provocar la rotura del aislamiento.
Las descargas parciales suelen comenzar en 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 descargas parciales se limitan a solo una parte del aislamiento, las descargas solo cubren parcialmente la distancia entre los electrodos . Las descargas parciales también pueden ocurrir a lo largo del límite entre diferentes materiales aislantes.
Las descargas parciales dentro de un material aislante se inician generalmente dentro de huecos llenos de gas dentro del dieléctrico. Debido a que la constante dieléctrica del hueco es considerablemente menor que la del dieléctrico circundante, el campo eléctrico a través del hueco es significativamente mayor que el que se produce a través de una distancia equivalente de dieléctrico. Si la tensión de tensión a través del hueco aumenta por encima de la tensión de inicio de corona (CIV) para el gas dentro del hueco, la actividad de DP comenzará dentro del hueco.
La DP también puede producirse a lo largo de la superficie de materiales aislantes sólidos si el campo eléctrico tangencial de la superficie es lo suficientemente alto como para provocar una rotura a lo largo de la superficie del aislador. Este fenómeno se manifiesta comúnmente en aisladores de líneas aéreas, en particular en aisladores contaminados durante días de alta humedad. Las líneas aéreas utilizan el aire como medio de aislamiento.
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 condensador superior del divisor representa la combinación en paralelo de las capacitancias en serie con el vacío y el condensador inferior representa la capacitancia del vacío. El condensador en paralelo representa la capacitancia restante no vacía de la muestra.
Siempre que se inicia una descarga parcial, aparecen pulsos de corriente transitoria de alta frecuencia que persisten durante nanosegundos a un microsegundo, luego desaparecen y reaparecen repetidamente a medida que la onda sinusoidal de voltaje pasa por el cruce por cero . La descarga parcial ocurre cerca del voltaje pico, tanto positivo como negativo. Los pulsos de descarga parcial son fáciles de medir utilizando el método del transductor de corriente de alta frecuencia (HFCT). El transductor de corriente se sujeta alrededor de la tierra de la carcasa del componente que se está probando. La gravedad de la descarga parcial se mide midiendo el intervalo de ráfaga entre el final de una ráfaga y el comienzo de la siguiente. A medida que empeora la ruptura del aislamiento, el intervalo de ráfaga se acortará debido a que la ruptura ocurre a voltajes más bajos. Este intervalo de ráfaga 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 importante. El método HFCT debe usarse debido a la pequeña magnitud y la corta duración de estos eventos de descarga parcial. 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 colocar 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 adaptado .
Cuando se produce una descarga parcial, un arco o una chispa, las ondas electromagnéticas se propagan desde el lugar 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 de alta tensión, MCSG, LTC, LA, generador, motores grandes de alta tensión, etc. La detección de pulsos de alta frecuencia identificará la existencia de descarga parcial, arco o chispa. Una vez que se detecta una descarga parcial o un arco, el siguiente paso es localizar el área de la falla. Mediante el método de emisión acústica (AE), se colocan 4 o más sensores de AE en la carcasa del transformador donde se recopilan los datos de onda de AE y HFCT al mismo tiempo. Se utiliza un filtrado de paso de banda para eliminar la interferencia de los ruidos del sistema.
La degradación por descarga parcial puede deberse a diversos factores, como una regulación inadecuada de la tensión o la presencia de huecos o delaminación en el aislamiento de la pared de tierra. Estos problemas pueden acabar provocando una avería en la máquina. [1]
Con la medición de descargas parciales se puede evaluar el estado dieléctrico de los equipos de alta tensión y detectar y localizar arborizaciones eléctricas 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 obtenidos 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 de mantenimiento y reparación adecuadas.
La medición de descargas parciales se aplica a cables y accesorios con diversos materiales de aislamiento, como polietileno o cables recubiertos de plomo con aislamiento de papel (PILC). La medición de descargas parciales se lleva a cabo de manera rutinaria para evaluar el estado del sistema de aislamiento de máquinas rotativas (motores y generadores), transformadores y cuadros eléctricos aislados con gas .
Un sistema de medición de descargas parciales consta básicamente de:
Un sistema de detección de descargas parciales para equipos eléctricos energizados en servicio:
Desde que se comprendió la importancia de las descargas parciales a finales del siglo XX, se han inventado varios esquemas de detección de descargas y métodos de medición de descargas parciales. 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 eventos de ráfagas espaciadas uniformemente que ocurren en el pico de la onda sinusoidal. Los eventos aleatorios son arcos eléctricos o chispas. La forma habitual de cuantificar la magnitud de las descargas parciales es en picoculombios . La intensidad de las descargas parciales 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, que se muestran en un formato de mapeo de descargas parciales.
Una representación relacionada con la fase de las descargas parciales proporciona información adicional, útil para la evaluación del dispositivo bajo prueba.
El cambio de carga real que se produce debido a un evento de DP no se puede medir directamente, por lo tanto, se utiliza en su lugar la carga aparente . 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 picoculombios .
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 bastante simple en su funcionamiento y simplemente consta de 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 entrar en un área peligrosa de alto voltaje. Los calibradores generalmente se desconectan durante la prueba de descarga.
Las mediciones de campo impiden el uso de una jaula de Faraday y la fuente de alimentación también puede ser un compromiso con respecto a la ideal. Por lo tanto, las mediciones de campo son propensas al ruido y, en consecuencia, pueden ser menos sensibles. [2] [3]
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 la medición 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 simples para que los propietarios y operadores de activos de media y alta tensión las apliquen ampliamente.
Las tensiones transitorias de puesta a tierra (TEV) son picos de tensión inducidos en la superficie de la estructura metálica circundante. Las TEV fueron descubiertas por primera vez en 1974 por el Dr. John Reeves [4] de EA Technology. Las TEV se producen porque la descarga parcial crea picos de corriente en el conductor y, por lo tanto, también en el metal conectado a tierra que lo rodea. El Dr. John Reeves estableció que las señales de TEV son directamente proporcionales al estado del aislamiento de todos los cuadros de distribución del mismo tipo medidos en el mismo punto. Las lecturas de TEV se miden en dBmV. Los pulsos de 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 lo tanto, se generan picos de tensión. Estos permanecerán en la superficie interior de la estructura metálica circundante (a una profundidad de aproximadamente 0,5 μm en acero dulce a 100 MHz) y se extenderán hasta 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 descargas electromagnéticas transitorias en las estructuras metálicas circundantes, que actúan como una antena. Las descargas electromagnéticas transitorias son un fenómeno muy conveniente para medir y detectar descargas parciales, ya que se pueden detectar sin realizar una conexión eléctrica ni retirar ningún panel. Si bien este método puede ser útil para detectar algunos problemas en los cuadros de distribución y el seguimiento de superficies en los componentes internos, es probable que la sensibilidad no sea suficiente para detectar problemas en 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 ultrasónicas estructurales a través del componente eléctrico lleno de líquido o sólido. Al utilizar un sensor ultrasónico estructural en el exterior del elemento que se examina, se puede detectar y ubicar la descarga parcial interna cuando el sensor se coloca más cerca de la fuente.
Método HFCT Este método es ideal para detectar y determinar la gravedad de la DP mediante la medición del intervalo de ráfaga. Cuanto más se acerquen las ráfagas al "cruce de voltaje cero", más grave y crítica será la falla de DP. La ubicación del área de falla se logra utilizando la AE descrita anteriormente.
La detección del campo electromagnético capta las ondas de radio generadas por la descarga parcial. Como se mencionó anteriormente, las ondas de radio pueden generar TEV en la estructura metálica circundante. Se pueden lograr mediciones más sensibles, en particular a voltajes más altos, utilizando antenas UHF incorporadas 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, ya que los sensores se ubican en las capas semiconductoras de la junta o el accesorio. [5]
Una vez iniciada, la descarga parcial provoca un deterioro progresivo de los materiales aislantes, que en última instancia conduce a una avería eléctrica . Los efectos de la descarga parcial en los cables y equipos de alta tensión pueden ser muy graves y, en última instancia, conducir a una falla total. El efecto acumulativo de las descargas parciales en dieléctricos sólidos es la formación de numerosos canales de descarga parcialmente conductores ramificados, 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 separación (hasta ahora) no afectada, acelerando el proceso de descomposición. Una serie de dieléctricos inorgánicos, incluidos el vidrio , la porcelana y la mica , son significativamente más resistentes al daño por descarga parcial que los dieléctricos orgánicos y poliméricos .
En los cables de alta tensión 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 descarga parcial, las descargas repetitivas acaban provocando cambios químicos permanentes en las capas de papel afectadas y en el fluido dieléctrico que las impregna. Con el tiempo, se forman árboles carbonizados parcialmente conductores. Esto ejerce una mayor tensión 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 denominada seguimiento ). Esto finalmente culmina en la falla dieléctrica completa del cable y, por lo general, en una explosión eléctrica .
Las descargas parciales disipan energía en forma de calor, sonido y luz. El calentamiento localizado de las descargas parciales puede provocar la degradación térmica del aislamiento. Aunque el nivel de calentamiento de las descargas parciales es generalmente bajo para las frecuencias de CC y de la línea eléctrica, puede acelerar las fallas en los equipos de alta tensión y alta frecuencia. La integridad del aislamiento en los equipos de alta tensión se puede confirmar mediante el monitoreo de las actividades de descarga parcial que ocurren durante la vida útil del equipo. Para garantizar la confiabilidad del suministro y la sostenibilidad operativa a largo plazo, las descargas parciales en los equipos eléctricos de alta tensión se deben monitorear de cerca con señales de advertencia tempranas para su inspección y mantenimiento.
Las descargas parciales suelen poder evitarse mediante un diseño y una selección cuidadosos de los materiales. En los equipos críticos de alta tensión, la integridad del aislamiento se confirma mediante equipos de detección de descargas parciales durante la etapa de fabricación, así como periódicamente durante la vida útil del equipo. La prevención y detección de descargas parciales son esenciales para garantizar un funcionamiento fiable y a largo plazo de los equipos de alta tensión que utilizan las empresas eléctricas .
Mediante acopladores y sensores UHF, se detectan señales de descarga parcial y se transmiten a una unidad de control maestra donde se aplica un proceso de filtrado para rechazar las interferencias. 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 adecuada, una alarma de control de supervisión y adquisición de datos ( SCADA ). Según el 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 visualizador basado en la web.
La capacidad de diferenciar entre varios tipos de descargas parciales (DP) y localizarlas con precisión es crucial para realizar pruebas y monitoreo de DP de manera eficaz. Esta capacidad permite realizar reparaciones correctivas durante paradas programadas, lo que evita fallas que a menudo conducen a costosas paradas y al tiempo de inactividad asociado o pérdida de producción. [6]
