La inspección y puesta en servicio de equipos de alta tensión nuevos, especialmente en las redes de distribución y transporte es un proceso muy importante para la fiabilidad y el comportamiento del sistema de alimentación. Desde hace muchos años se han efectuado ensayos de alta tensión en c.c. y en c.a. a la frecuencia industrial tanto en laboratorio como en campo viéndose que ambos sistemas son herramientas fiables para determinar el estado del aislamiento. El desarrollo reciente de las reglamentaciones internacionales, nuevos métodos y nuevas frecuencias de ensayo se han añadido en estas nuevas normas, como la técnica VLF que sustituye cada vez más a la frecuencia industrial. El resultado de un ensayo dieléctrico con tensión alterna y continua para inspección o con el propósito de mantenimiento quedan restringidos a la determinación “pasa o no pasa”. Un ensayo con la medida del factor de pérdidas a 0,1 Hz puede fácilmente añadirse a un equipo de ensayo VLF para poder diferenciar la condición de envejecimiento de los equipos eléctricos a niveles de ensayo de alta tensión. La evaluación del envejecimiento y la prevención de daños en los sistemas subterráneos de cables de media y alta tensión constituyen una herramienta de la más alta importancia para las compañías eléctricas hoy en día. La calidad de la red de distribución de potencia y los elevados costes de la creciente demanda en la fiabilidad de los sistemas de suministro precisan una atención cuidadosa a fin de controlar las inversiones necesarias para la prevención de fallos durante el servicio.
1. Revisión de las normas para ensayo de campo de los cables de AT.
A mediados de los 80 se presentaron los métodos de ensayo de campo alternativos para los cables subterráneos de media tensión con aislamiento seco utilizando muy bajas frecuencias en el rango de 0,01 a 1 Hz. A parte de la frecuencia industrial también puede utilizarse en los ensayos de campo en c.a., el ensayo VLF. Ensayos de larga duración efectuados tanto en campo como en laboratorio, han demostrado claramente lo práctico y ventajoso del uso del nuevo método de ensayo VLF. La forma de onda de tensión más común en técnica VLF es la senoidal de acuerdo con la norma IEC 60060-3. En 1996 el CENELEC dentro de su comité de armonización europea publicó la nueva norma HD620 S1 de ensayos de campo para cables de media tensión en el rango de 6 KV a 36 KV. En el año 2004 la IEEE publicó una nueva norma, la IEE Std 400.2 para el ensayo de campo VLF en cables de media tensión. Los niveles de tensión de ensayo fueron objeto de controversia entre los usuarios y suministradores debido al desconocimiento del nivel de envejecimiento del aislamiento del cable y los posibles daños y degradación que pudiera producirse en el aislamiento del propio cable. Es por tanto recomendable utilizar los valores fijados por esta norma solamente para las puestas en marcha y ensayos después del tendido.
2. Comparación entre los ensayos a frecuencia industrial y con tensión VLF
2.1 Comportamiento de las descargas parciales a 0,1 Hz y a 50 Hz
Las características comparativas de las PD que aparecen en la figura 1 muestran que la técnica VLF a 0,1 Hz es de lo más comparable con el ensayo de 50 Hz, excepto para la onda VLF cos rectangular en que tanto el nivel como la cadencia difieren.
Fig. 1: Niveles y cadencia de PD con forma de onda senoidal VLF de 0,1 Hz, frecuencia industrial de 50 Hz y cos rectangular de 0,1 Hz.
En las figuras 2 a 5 se presentan resultados de formas de onda senoidal. Se puede ver que los resultados de la tensión de incepción (PDIV) son muy similares. La variación en todos los casos es de un valor inferior al 10%, excepto una típica característica de falta que muestra un 30% de PDIV (Tensión de Incepción de las Descargas Parciales) con VLF. Como puede verse, también a niveles de tensiones más elevadas hasta 80 KV la tensión VLF muestra resultados comparativos. Las figuras 3 y 4 confirman características de PD muy similares a tensiones mayores en diferentes faltas artificiales ejecutadas en empalmes en un cable de aislamiento de XLPE de 110 KV.
Fig. 2: Comparación de la tensión de incepción de descargas parciales con una fuente de AT con frecuencias de 0,1 Hz y 50 Hz
Fig. 3: Forma característica de la distribución de PDs a 0,1 Hz
Fig. 4: Forma característica de la distribución de PDs a 50 Hz
Fig. 5: Tensión de incepción de PDs en un cable de aislamiento XLPE de 110 KV
2.2 Factor de disipación VLF en comparación con el factor de disipación (tan delta) a frecuencia industrial
Debido al efecto del tiempo de despolarización, las arborescencias de agua en los dieléctricos sólidos son más sensibles al factor de disipación utilizando bajas frecuencias. Con el fin de clasificar los aislamientos como buenos, medio o severamente envejecidos por la presencia de arborescencias de agua, es más efectivo el uso de la frecuencia VLF que el uso de la frecuencia industrial de 50 Hz o las frecuencias variables. Las simulaciones del factor de pérdidas utilizando correlaciones matemáticas, esto es, utilizando el factor de amortiguamiento de una onda oscilante dependen totalmente de la longitud de la fase del cable medido. Además la tangente delta y la variación de la tangente delta en subidas y bajadas progresivas pueden proporcionar una respuesta muy detallada acerca de la presencia de agua en los empalmes y botellas terminales. El usuario debe asegurarse partiendo de una base de datos consistente y fiable, especialmente cuando se usan criterios estrictos que lleven asociados costes significativos de mantenimiento y la determinación precisa de cuando efectuarlo. Los procesos de calibración y validación deben manejarse con cuidado; las decisiones erróneas en los ensayos de campo pueden resultar muy costosas.
3. ¿Por qué debemos utilizar tensión VLF?
Existen varias razones que justifican la ventaja de utilizar VLF en los tendidos de cables subterráneos
3.1 Requisitos de seguridad y normativa
Nuevas Normas como IEC 60060-3-200 -Mantenimiento basado en el estado real del cable-, definen la fuente de tensión VLF como una forma de onda adecuada para ensayos de alta tensión en campo; esta tensión representa el más moderno estado de la técnica y la práctica actual entre diferentes fuentes de alta tensión. De hecho, los ensayo de campo de cables en VLF, basados en las normas anteriores se han convertido en un método universalmente aceptado para las puestas en marcha y trabajos de mantenimiento en las redes de cables de media y alta tensión.
Además las normas citadas son poco exigentes. Los operadores pueden escoger libremente niveles más altos con criterios más estrictos de lo que dicen las normas IEC60060-3, IEEE 400.2 o VDE 60620 HD S1. Las especificaciones de acuerdo con las normas pretenden y motivan a los suministradores y los usuarios de redes de distribución subterránea a mejorar la fiabilidad del sistema.
El control basado en el diagnóstico regular de los cables protege al usuario final de las faltas incipientes antes de que se produzcan tales faltas en los sistemas de distribución urbana. Si por causa de las faltas o daños relacionadas se pierde la garantía del proceso de suministro o instalación, el usuario o suministrador quedarán protegidos (asegurados) si la causa del fallo de la red pudo ser analizada, localizada y justificada previamente con un sistema de diagnóstico no destructivo.
3.2 Razones técnicas para utilizar tensión VLF:
- Peso y volumen pequeños de los equipos de ensayo
- Mayor eficacia a la hora de localizar los defectos
- Mayor sensibilidad en la medida de TD y PD comparado con el método de la onda oscilante.
- Eficacia del diagnóstico al utilizar una fuente de AT de forma de onda verdaderamente senoidal, truesinus® tanto para PD como para TD.
- Monitorización de la posición de las faltas durante las puestas en marcha y los ensayos del cable
- Menor riesgo de la tensión VLF eficaz en comparación con la tensión continua (al evitar la formación de cargas espaciales en el aislamiento)
- Movilidad en los ensayos de campo
3.3 Razones comerciales para utilizar la tensión VLF:
En relación a las estrategias de mantenimiento hay que considerar los siguientes hechos:
- Menor consumo de potencia (puede originar costes altos)
- Mantenimiento basado en una avería de cable (puede originar costes muy altos)
- Mantenimiento basado en el estado real del cable (costes bajos)
- Coste de reparación y sustitución (costes bajos)
3.4 Razones estratégicas para utilizar tension VLF:
- Se mejora globalmente la fiabilidad de la red
- Reduce las horas perdidas del usuario por año
- Decisiones de sustituciones totales o parciales del cable antes de que éste falle, con el tiempo para planificarlo
- Consideraciones acerca de la fiabilidad global del sistema basado en las medidas de campo
- Determinación del estado real del sistema tras evaluar los datos medidos en un ensayo de campo
4. ¿Cómo mejorar la fiabilidad de los sistemas urbanos de distribución de cables?
4.1 Ensayo de cubiertas de cable y localización de las fugas de pantalla
Para asegurar la calidad a largo plazo de la rigidez dieléctrica del aislamiento de los cables de media y alta tensión deberá ensayarse la pantalla metálica del mismo de acuerdo con la norma IEC 60229 con una tensión de 4 KV c.c por milímetro de espesor de la cubierta, contra tierra durante un minuto. La práctica de un control regular del aislamiento de las pantallas, especialmente después del tendido, reduce los posibles daños y garantiza que no haya entrada de humedad ni que se originen problemas de arborescencias de agua. Para prelocalizar las faltas de pantalla en los cables de alta tensión se utiliza un método de localización denominado “Método del puente de Murray/Glaser”, que proporciona una precisión inferior al 1% en la determinación de la distancia del defecto.
4.2 Factor de Corrosión
Para determinar el factor de corrosión, CF, se puede utilizar el puente de Wheastone para calcular la degradación actual de la pantalla metálica exterior. A continuación damos la fórmula en donde Rs representa la resistencia calculada de la longitud total de la pantalla (formada por hilos o cintas metálicas conductoras) dividida por la resistencia longitudinal actual medida Rc, multiplicado por 100. Este coeficiente influye en la precisión de la medida del puente de Murray y tiene también influencia en las medidas de tangente delta.
CF = Rs/Rc*100 [%] (1)
4.3 Ensayos de alta tensión VLF
Destinados a asegurar la fiabilidad de la red de distribución a largo plazo y poder ensayar los cables utilizando niveles de alta tensión VLF en campo según recomiendan las normas, detectando y corrigiendo las faltas incipientes de la red. Hoy en día existen en el mercado equipos de ensayo VLF portátiles para su uso en campo. Véase por ejemplo el equipo de la figura 6. Las investigaciones más recientes comparando los resultados de los diagnósticos a la frecuencia industrial y los ensayos VLF, muestran una total aceptación del sistema de muy baja frecuencia. Los equipos diseñados recientemente con la última tecnología VLF de alta tensión utilizan amplificadores de estado sólido de alta precisión, una técnica que proporciona señales de salida de verdadero valor eficaz senoidal y permiten las mediciones de tangente delta libres de armónicos y las medidas de precisión en diagnóstico de descargas parciales.
Fig. 6: Equipo de ensayo portátil VLF, hasta 40 KV pico y 23 KV eficaces (© BAUR)
4.4 Herramientas de diagnóstico VLF
4.4.1 Factor disipación (TD) a 0.1 Hz
Los métodos de diagnóstico como descargas parciales (PD) y factor de disipación (TD) son métodos de medida recomendados para el control del estado del aislamiento bajo condiciones de campo de estrés eléctrico de alta tensión y basados en las formas de onda de tensión que se adapten a lo indicado por la norma IEC 60060-3. Los ensayos de diagnóstico con tensión de ensayo comenzando a 0,5 Uo hasta un máximo nivel de 2 Uo son práctica habitual hoy en día. El nivel de tensión utilizado debe ser manejado cuidadosamente evitando provocar fallos incipientes especialmente en cables envejecidos por el servicio. Si el estado del aislante del cable es desconocido o se trata de un cable crítico el nivel de tensión aplicada nunca superará los límites superiores recomendados por el usuario o el fabricante del cable. Evitando las posibles perforaciones del aislamiento, el operador puede limitar el nivel de tensión muy por debajo del límite de la rigidez dieléctrica o utilizar el criterio de la pendiente de variación de las pérdidas o el nivel de la tensión de incepción de las descargas parciales.
4.4.2 Criterios TD en VLF
Los criterios recomendados del factor de pérdidas TD > 2.2*10-3 y pendiente de TD < 1*10-3 para cable “altamente degradado” de aislamiento de XLPE son los más utilizados en la mayoría de los países europeos. En lo que respecta al criterio de los niveles de tangente delta usados en USA se utilizan valores incluso inferiores a los anteriores, basados en investigaciones hechas por un proyecto del gobierno de USA, NEETRAC CDFI y ejecutado por el Instituto de tecnología de Georgia. Las razones pueden encontrarse en el hecho de que allí se dan otras formas de diseño de los cables, métodos distintos de tendido y especialmente lo relacionado con las distintas formulaciones de las mezclas de los materiales
poliméricos utilizados, como XLPE, HDXLPE y EPR. Además el diseño del cable de aislamiento EPR con cubierta exterior concéntrica que actúa como neutro puede llevar a incrementar los valores de TD por un factor de 3 a 10.
4.4.3 Histéresis en la medida de TD en VLF en la subida y bajada de la tensión de ensayo
En 1999 se detectó un nuevo efecto en los ensayos que utilizaban TD VLF, al incrementar la tensión de ensayo con el tiempo, para detectar accesorios mal montados. Brincourt y otros de EDF Francia y NEETRAC pudieron probar claramente que era debido a la entrada de humedad en los empalmes y botellas.
El decrecimiento de los valores de TD para tensiones crecientes está causado normalmente por la humedad que se evapora muy rápidamente en el ensayo.
Como consecuencia, el efecto secado como así se le conoce, puede medirse en tiempo muy corto, normalmente en 1 ó 2 minutos. Si las medidas de TD se utilizan con niveles de tensión crecientes y decrecientes puede confeccionarse una curva de histéresis de TD que está correlacionada con el contenido de humedad del aislamiento. La probabilidad de un empalme mal montado y la entrada de humedad puede comprobarse así de forma fácil. En muchos casos prácticos una medida de TD antes y después de sustituir un empalme puede ayudar a resolver el problema.
Internamente los defectos del cable con humedad embebida en el propio aislamiento del cable muestran un efecto de histéresis muy pequeño o indetectable.
Dado que el estrés de larga duración en el aislamiento de los cables de AT degradados por envejecimiento no es apreciable, la compañía BAUR ha introducido una práctica nueva en lo que se refiere en la metodología en el ensayo de histéresis VLF.
La histéresis del factor de pérdidas se evalúa utilizando una subida y una bajada de tensión VLF en un solo ensayo, véase la Fig. 7.
Fig 7: Histéresis del factor de pérdidas TD en VLF con tensión ascendente y descendente
Los valores de TD en otros tipos de aislamiento como PILC (cables con aislamiento de papel aceitado con cubierta de plomo), EPR, HD-XLPE y Copolímeros muestran otros valores de arranque de la TD cuando son nuevos, que varían con el tiempo de instalación, siendo sin embargo con el tiempo en servicio, muy similares a los aislamientos XLPE. Los niveles que se utilizan como criterio individual para cada tipo de aislamiento y la comparación de las medidas de TD entre las tres fases son herramientas muy valiosas para la calificación del estado del cable.
4.4.4 Medida de descargas parciales con VLF y otras formas de onda de tensión de prueba
El mapeado de la posición de las descargas parciales en campo se ha venido llevando a cabo como práctica habitual desde hace más de 10 años. En el año 2007 se ha efectuado un ensayo de laboratorio con diferentes formas de onda de tensión para ensayos en AT en varios tipos de defectos artificiales en RWE EUROTEST en Alemania, que muestra resultados no uniformes. Las interpretaciones de la magnitud de las descargas parciales y los resultados cuantitativos no son comparables.
Los usuarios no disponen de reglas de conocimiento para cuantificar el nivel para diferentes tipos de defectos. La magnitud no es sinónimo de daño severo o de una situación menos peligrosa en el aislamiento del cable.
Normalmente no es posible predecir posibles fallos si los cables no se prueban hasta la tensión de perforación. Los defectos singulares son fácilmente localizados utilizando técnicas de ecometría.
La magnitud de las PD no está siempre correlacionada con el defecto más alto o más peligroso dado que el tipo de defecto es generalmente desconocido. A veces la densidad de PD’s en una misma posición del mapa de puntos y la cadencia o repetibilidad son más informativas de su peligrosidad potencial que la propia magnitud. Únicamente los datos históricos pueden llevar a tomar mejores decisiones en lo que respecta a la sustitución de un cable o a su reparación.
Fig. 8: Equipo portátil detector de PDs y localización de los puntos de las PDs en ensayos de campo (© BAUR)
5. Consideraciones a cerca del tiempo de vida de un cable
Hoy en día los cálculos del tiempo estimado de la duración residual de un cable en servicio basados en los criterios de las medidas simples de TD o PD no son posibles todavía. Solamente las observaciones de larga duración y los datos históricos y la evaluación comparativa de estos, en una base de datos de los ensayos individuales ayudan a determinar este tiempo. Decisiones útiles acerca de cuando sustituir un cable o empalme o llevar a cabo una reparación pueden tomarse de forma segura basándonos en los valores de tangente delta y el mapeado de las medidas de PD obtenidos con las medidas de diagnóstico.
6. Conclusión
El ensayo de cables VLF en campo se ha convertido en una práctica universal en todo el mundo para la puesta en marcha y el mantenimiento de redes de cables de media y alta tensión, debido a la disponibilidad en el mercado de equipos pequeños y portátiles VLF.
Las ventajas iniciales del ensayo tradicional en corriente continua, portabilidad y precio de los ensayadores, han sido superadas hoy en día por la economía y las ventajas técnicas del ensayo en VLF. Varias normas nuevas nacionales e internacionales han sido publicadas en todo el mundo como guías teóricas y prácticas de uso de estos equipos. Las más recientes investigaciones para transferir esta tecnología al ensayo de redes de transporte de alta y muy alta tensión avalan el uso de esta técnica.
Las herramientas combinadas de diagnóstico TD y PD basadas en la tensión Truesinus® VLF permiten localizar prematuramente los defectos en los cables antes de que estos se conviertan en averías. Una estrategia preventiva de mantenimiento combinada con un método de análisis estadístico es la mejor forma de mejorar la fiabilidad del sistema de cables de distribución. La determinación de la calidad del cable en una red de distribución con un plan prematuro y preprogramado de reparaciones, sustitución parcial o sustitución completa de un determinado cable dentro de la red de distribución incrementa el comportamiento y la fiabilidad de dicho sistema y permite estimar basándonos en los datos reales la posible duración en servicio de un determinado cable.
AUTOR:
Martin A. Baur, Director
BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH Raiffeisenstrasse 8
6832 Sulz/Austria
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Traducción y adaptación
José Luis Ferreres Nos, Ing. Industrial,
Martin Baur, S.A.
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Observaciones
“truesinus®“ es una marca internacional registrada por BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH, Sulz/Austria
