Introducción
Las descargas parciales son, en general, aquellas en las que la cantidad de energía involucrada es baja y no conducen a una ruptura dieléctrica ni a un “contorneamiento” (flashover) completo del medio aislante entre electrodos. Aparecen en aislantes defectuosos o con impurezas, en puntos sometidos a campos eléctricos elevados, o incluso bajo el efecto de contactos flojos y partes metálicas cargadas con potencial flotante.
La medición de descargas parciales ha adquirido, como prueba eléctrica conveniente y no destructiva, una gran importancia en el caso de transformadores y reactancias de compensación de alta tensión y permite obtener valiosa información sobre el estado del aislamiento. Por tensión de ignición o extinción de descargas parciales, se entiende no a la tensión en el punto donde tienen lugar en el devanado, sino al valor eficaz de la tensión de prueba con respecto a tierra, aplicada a un terminal del devanado, en el momento de la descarga o de su extinción.
Las descargas parciales se manifiestan por impulsos perturbadores de alta frecuencia que pueden detectarse en uno o ambos extremos del devanado mediante un circuito de acoplamiento y un dispositivo de medición adecuado. Estos dispositivos miden los cambios de carga aparente (pC) a alta frecuencia o incluso las tensiones de alta frecuencia en los terminales de una impedancia de medida (μV, generalmente alrededor de 1 MHz).
Por otra parte, las descargas parciales producen, especialmente en los devanados en baño de aceite, ondas ultrasónoras que pueden ser registradas por un convertidor ultrasónico sensible.
A medida que las tensiones nominales y potencias iban creciendo cada vez más, se realizaron esfuerzos durante varios años para reducir las tensiones de prueba en comparación con las tensiones nominales. Esto está motivado, por un lado, por razones económicas y, por otro lado, por el hecho de que la prueba de un minuto con tensiones alternas muy elevadas, habitual en el pasado y todavía necesaria, no se corresponden a las condiciones reales que presentan las tensiones de servicio a la frecuencia nominal. La tendencia en las pruebas de aislamiento, mencionada anteriormente, han conducido actualmente a controlar el comportamiento del aislamiento a la tensión de servicio o bien con una tensión aproximadamente un 10 a 30% más elevada, utilizando medidores de descargas parciales. Para poder cumplir con condiciones que son en parte muy severas, además de un cálculo cuidadoso, la planificación y la construcción deben ser objeto de especial atención. Sin embargo, las diversas medidas tomadas solo pueden ser juiciosas y efectivas si se conoce la parte del transformador que puede ser el lugar donde se producen las descargas parciales. Por tanto, es necesario proceder no solo a la detección, sino sobre todo a la localización de las descargas parciales. Los valores medidos al inicio o al final del devanado solo pueden predecir el efecto destructivo de las descargas parciales si se conoce el lugar donde se producen por lo que es de suma necesidad adoptar métodos de localización adecuados.
Métodos de localización para transformadores o reactores.
Localizar una descarga parcial en un transformador o reactancia es una tarea extremadamente compleja, en la actualidad se pueden obtener buenos resultados siempre que se utilicen métodos eléctricos y no eléctricos al mismo tiempo o repetidamente.
Es, por tanto, ventajoso combinar siempre que sea posible métodos eléctricos, como por ejemplo el método que consiste en leer la tensión al final del devanado, con métodos no eléctricos (por ejemplo, localización ultrasónica). El método que consiste en leer la tensión al final del devanado mediante una tensión auxiliar es en principio un método atractivo y sin complicaciones, que permite la localización de la ubicación de una descarga parcial mediante la sola determinación de la relación de dos variaciones en los voltajes aplicados.
La paciencia y mucha experiencia son fundamentales para ello. Casi todos los métodos de localización eléctrica se basan en la posibilidad de comparar las señales obtenidas en los dos extremos del devanado: ya sea en forma de la relación de las componentes de las oscilaciones de HF al principio y al final del devanado, ya sea explotando los componentes de tensión transmitidos sin demora por acoplamiento capacitivo a los extremos del devanado en relación con la distribución capacitiva de tensión del devanado o registrando el retardo con el que las ondas en movimiento llegan a los extremos del arrollamiento.
Sin embargo, el componente de señal deseado en un extremo del devanado es a menudo demasiado pequeño y difícilmente utilizable, especialmente en el caso de una construcción de devanado complicada y no homogénea. La desventaja común a todos los métodos eléctricos radica en el hecho de que dan la posición eléctrica del lugar de descarga (es decir, en x% desde el principio del devanado) que en ocasiones no está de acuerdo con su posición geométrica. Si, por ejemplo, para la "posición eléctrica", encontramos el principio del devanado, es posible que estemos ante la primera espira, en la conexión entre ésta y el terminal de la borna pasatapas, en la pantalla de entrada al devanado o entre el tanque y partes del circuito magnético situadas frente a estos elementos.
Los métodos de localización no eléctricos, por ejemplo, la localización ultrasónica, tienen la ventaja de indicar la "posición espacial" de las descargas y, por lo tanto, complementan los métodos eléctricos. En la localización por ultrasonidos, se introduce un sensor piezoeléctrico en el aceite a través de la tapa del tanque o se monta en la pared exterior de este último. Por razones prácticas, se utiliza esta última disposición, en particular porque el sensor se puede mover fácilmente en la pared del tanque para encontrar la ubicación adecuada.
Otro método de localización en la prueba de tensión inducida, no solo se lleva la entrada del devanado al voltaje deseado, sino que también se registra el voltaje al final del devanado, utilizando una tensión auxiliar. Los voltajes de encendido y extinción que se obtienen con el voltaje al final del devanado, pueden indicar la ubicación de la descarga parcial, de forma generalmente sencilla. Los diferentes métodos de localización deben combinarse tanto como sea posible para aumentar las posibilidades de éxito.
Cuando la estructura del devanado es complicada, la combinación de los diferentes métodos es prácticamente imprescindible.
Localización ultrasónica aplicada a transformadores
Las mediciones analíticas del espectro de frecuencia de descarga parcial y el ruido del núcleo magnético en algunos transformadores muestran que puede ser ventajoso utilizar un sensor ultrasónico para un rango de frecuencia de aproximadamente 20 a 50 kHz. Se utiliza un sensor (fig.1 y 2) que se puede conectar en la pared de la cuba del transformador mediante un dispositivo de fijación formado por tres imanes (figura 1) o bien mediante un sensor manual (figura 2). Además de una instalación fácil, esta disposición permite una fijación relativamente estable y una baja amortiguación de la transmisión incluso cuando la pared del tanque no es plana.
Figura. 1 - Sensor ultrasónico con dispositivo de fijación en la cuba del transformador
Figura. 2 - Sensor ultrasónico manual colocado en la cuba del transformador
Después de la amplificación, la señal suministrada por el sensor se transfiere a una frecuencia más baja. Esta señal, que incluye influencias perturbadoras (ruido del núcleo, reflexión y refracción de ondas ultrasónicas, etc.), se procesa en un analizador de señales con memoria e indicación oscilográfica. El dispositivo extrae la señal mencionada anteriormente, por un proceso de formación de valores promedio, la señal purificada procede de la ubicación de la descarga parcial. Para ello, el analizador debe ser activado por una parte de la señal eléctrica de la descarga parcial elegida mediante un selector de intervalo. La señal eléctrica de la descarga parcial tomada del dispositivo de medición en el del terminal de alimentación se deriva para su control en un dispositivo de medición de perturbaciones y se observa en la pantalla de un oscilógrafo controlado. o sincronizado por una porción reducida del voltaje de prueba. Las figuras 3 y 4 muestran respectivamente el diagrama funcional y la disposición de los dispositivos para la localización por ultrasonidos.
Figura 3 - Diagrama de bloques del acoplamiento para la localización de descargas parciales por ultrasonido
1 - Medidor de señales perturbadoras
2 - Amplificador con selector de intervalo
3 - Amplificador ultrasónico con cambiador de frecuencia
4 - Analizador de señal con memoria e indicación oscilográfica
5 - Oscilógrafo para el control de la señal HF de la descarga parcial
A - Al dispositivo de medición del terminal del objeto a probar
B - Al sensor ultrasónico en la pared del tanque
Figura 4: Disposición de los aparatos para la localización por ultrasonidos
de descargas parciales en transformadores y reactancias
En la pantalla del analizador de señales aparece gradualmente la señal del ultrasonido extraida, cuyo inicio de onda se retrasa con respecto al inicio del registro de la señal, pero el analizador es controlado sin demora por la señal eléctrica de la descarga parcial, mientras que la onda de presión del ultrasonido tarda algún tiempo en llegar al sensor. El retardo es la distancia entre la ubicación de la descarga y el sensor. Al realizar al menos tres series de mediciones con diferentes ubicaciones de sensores, se puede, en principio, localizar la descarga parcial.
La Figura 5 muestra el resultado de dicha localización ultrasónica realizada en un transformador de prueba de 850 kVA, 850 kV. Encontramos la situación de las descargas parciales (mal contacto) a una distancia de 110 cm. También se ha localizado, en un transformador de 100 MVA, 220 kV, un punto defectuoso en el extremo del cable de alimentación, mediante ultrasonidos.
Figura 5 - Oscilograma obtenido con el analizador de señales durante la localización por ultrasonidos de una descarga parcial
El retraso 𝝉 corresponde a una distancia al punto de descarga de 110 cm.
Método alternativo de localización de descargas parciales en transformadores y reactancias
Para descargas parciales que se produzcan en el interior del transformador a gran distancia de la pared del tanque o de intensidad relativamente baja, para las que difícilmente se puede utilizar la localización ultrasónica, existe otra forma posible, consistente en medir la tensión al final del bobinado. En este método de localización, es muy deseable, pero no absolutamente obligatorio, que los voltajes de ignición y extinción en el punto inicialmente desconocido de la aparición de las descargas parciales permanezcan lo más constantes posible durante la aplicación repetitiva de tensión. La precisión que se puede obtener depende de ello en mediciones grandes, a menos que para el análisis se utilice un dispositivo electrónico de procesamiento de señales estadísticas.
Figura 6 – Esquema de principio del método de localización con lectura de voltaje al final del devanado
a: primera determinación de la tensión de encendido cuando la tensión al final del devanado es cero.
b: segunda determinación de la tensión de encendido con tensión auxiliar al final del devanado
𝜑 = preferiblemente debe ser cero.
N = número relativo de espiras
Nx = número de espiras relativo al punto de defecto
Ui = voltaje de encendido cuando el voltaje al final del devanado es cero
𝚫Up = disminución en el voltaje de ensayo inducido con relación al voltaje de encendido
Uz = tensión auxiliar al final del devanado
Las señales de descarga parcial, en sí mismas, no se eliminan en absoluto, sino que se usan solo como un medio de indicación. Se analiza el método aplicado al caso más simple, con la ayuda de las Figuras 6a y 6b, en la prueba de voltaje inducido de un transformador y con el voltaje de encendido U1 como medio de indicación suponiendo una descarga parcial en el punto correspondiente al número relativo de espiras N. desde el extremo del devanado. Cuando se aumenta el voltaje de prueba Up (fig.6a) hasta que aparece el voltaje de encendido Ui medido en el terminal del pasatapas, no se obtiene, el voltaje de encendido real en el lugar de la descarga Nx, sino la Nx-ésima parte de la tensión U1, suponiendo que la distribución de la tensión a lo largo del devanado sea lineal. Esto está representado, en la figura 7, por la línea 1. El punto 0 en esta línea corresponde a la ubicación de la descarga inicialmente desconocido.
Figura 7 - Representación gráfica de la localización cuando las tensiones de prueba y auxiliares están en fase (𝜑 = 0)
1 = distribución de la tensión de prueba a lo largo del devanado cuando la tensión de prueba inducida = la tensión de encendido y la tensión al final del devanado no se detecta
2 = distribución de la tensión de prueba en el devanado cuando la tensión de prueba inducida se reduce en 𝚫Up y la tensión al final del devanado no se detecta 3 = distribución de la tensión de prueba cuando la tensión de prueba inducida se reduce en 𝚫Up con la tensión auxiliar Ux al final del devanado
0 = punto del defecto: punto de intersección de las líneas 1 y 3
Cuando la frecuencia de la tensión de prueba no es demasiado alta, está perfectamente justificado admitir para la tensión una distribución lineal. Si disminuimos la tensión de prueba en 𝚫Up (es decir, Up = Ui - 𝚫Up), obtenemos la línea de tensión 2 (fig. 7). Si, ahora, se repite la prueba con la tensión Up = Ui - 𝚫Up a lo largo del devanado (fig.6b) aumentando la tensión al final del devanado, con una tensión auxiliar Uz hasta que reaparezca la descarga parcial, restablecemos la tensión de encendido efectiva en el punto de la espira Nx. En la figura 6, lo que se acaba de decir corresponde a la traslación de la línea 2 a la línea 3, es posible suponer que el desfasaje 𝜑 entre la tensión de prueba Up y la tensión auxiliar Uz es nula. Además, esto significa que el punto común a las líneas 1 y 3, es decir el punto de intersección 0 en la figura 6 representa la ubicación de la descarga. Además, podemos ver fácilmente en la figura 6 que la abscisa Nx del punto 0 viene dada por:
Esta sencilla fórmula permite determinar la ubicación de la descarga parcial dada por la relación de la tensión auxiliar ajustada a la variación de la tensión de prueba inducida.
Para el caso general de un desfase 𝜑 entre la tensión auxiliar Uz y la tensión de prueba Up, obtenemos una fórmula más complicada que no estableceremos aquí. La ubicación de la descarga parcial debe calcularse mediante U1, 𝚫Up, Uz y 𝜑 Los ensayos de localización según este método en un transformador de 1 kVA cosiste en un tubo de descarga que representa el punto de descarga artificial a Nx = 0,50, tomándose como valor medio Nx = 0,49. En el caso de una reactancia de 42 MVA, 525 kV, en el que se manifiestan descargas parciales, el valor promedio encontrado fue de Nx = 0,95; después del desmontaje, se observo que la causa de la descarga parcial era la pieza de conexión entre el devanado y la borna (es decir, Nx = 1).
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