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domingo, 14 de abril de 2019

¿Qué son las descargas parciales?



Definiciones fundamentales:

a) Descarga parcial (DP)

Según IEC 60270 "Medida de Descargas Parciales", una DP es una descarga eléctrica localizada que cortocircuita sólo parcialmente el aislamiento entre dos electrodos y que puede producirse adyacente o no a uno de ellos. El resto del material que no sufre la descarga es capaz de continuar su función dieléctrica sin que se produzca la perforación del aislamiento. Se dice que es parcial, puesto que existe un aislamiento en serie con la parte defectuosa que evita una ruptura completa del dieléctrico.

b) Magnitudes relativas a descargas parciales:

Carga aparente (q)

Es el valor absoluto de la carga que inyectada de modo instantáneo entre los bornes del objeto en ensayo, cambiaría momentáneamente la tensión entre esos bornes en la misma medida que con la propia descarga parcial.

La carga aparente se expresa en picoCulombios (pC)

Frecuencia de repetición (n)

La frecuencia de repetición, n, de los impulsos de descargas parciales es el número medio por segundo, de impulsos debidos a descargas parciales, medido en un tiempo dado.

A efectos prácticos puede ocurrir que solo se consideren impulsos que rebasen una amplitud especificada o estén comprendidos dentro de un intervalo de amplitud especificado. Los resultados se expresan en ocasiones como curvas de distribución acumulada de la frecuencia de repetición, en función de la amplitud de las descargas parciales.

Corriente media de descargas (I)

Es la suma de los valores absolutos de las descargas aparentes durante un cierto intervalo de tiempo dividida por ese mismo intervalo.

Valor medio cuadrático (D)

Es la suma de los cuadrados de las descargas aparentes durante un cierto intervalo de tiempo, dividida por ese intervalo de tiempo.

Potencia de descarga (P)

Es la potencia media suministrada en bornes del objeto en ensayo por las descargas parciales.

Intensidad de las descargas parciales especificada (I)

Es el valor de la magnitud escogida para caracterizar las descargas parciales en el objeto en ensayo, en las normas o especificaciones correspondientes, a una tensión dada.

Tensión de aparición de las descargas parciales (Ui)

Es la menor tensión para la cual el dispositivo de ensayo detecta descargas parciales, cuando la tensión aplicada al objeto en ensayo se incrementa progresivamente desde un valor inferior en el que no se observan descargas.

Desde un punto de vista práctico, es la menor tensión para la cual la intensidad de las descargas iguala o supera un valor mínimo especificado.

Tensión de extinción de las descargas parciales

Es la menor tensión para la cual la intensidad de las descargas es igual o inferior a un valor mínimo especificado.

Tensión de ensayo de descargas parciales (Ue)

Es la tensión especificada que se aplica según el procedimiento de ensayo especificado y durante el cual el objeto en ensayo no debe sufrir descargas por encima de la intensidad especificada.

Naturaleza del fenómeno de descarga parcial

Como se ha indicado en la definición de DP, una descarga parcial es la que se produce entre dos electrodos sometidos a tensión, pero sin establecer puente completo o directo entre dichos electrodos. Cada impulso de descarga contiene una determinada energía que es disipada en las superficies aislantes de las cavidades por la acción de un bombardeo iónico en cada cavidad. Estos bombardeos pueden provocar calentamientos localizados y la aparición de productos químicos que conjuntamente con el fenómeno de descarga provocan la degradación progresiva y localizada del aislamiento. Esta degradación es lenta y el aislamiento finalmente puede perforarse (Figura 1). 


Figura 1: Avalancha inicial para la formación de una descarga parcial.

Esta descarga se produce normalmente en el aire (o en otro gas) y es limitada por la presencia de algún material aislante sólido, intercalado en serie en la trayectoria de la descarga.

La presencia de dicho material aislante limita mucho el valor efectivo de la intensidad que circula como consecuencia de la descarga parcial (fig. 2). 

Esta figura representa un sistema muy simple, con dos aislantes de igual espesor (unos 0,6 mm. de PVC) entre los cuales existe un tercer espesor de aire. Como el PVC tiene una constante dieléctrica más elevada que el aire, el "stress" eléctrico se concentra en la separación interelectródica en el aire, que se denomina "gap". Como sea que la tensión de descarga en el aire es de unos 25 kV/cm, el "gap" o separación que nos ocupa podrá resistir un campo eléctrico ("stress") de 1,5 KV. En el sistema descrito, esto se producirá cuando la tensión entre los electrodos exteriores X1 y X2 sea de 2,5 KV. En realidad, cuando el aire se rompe bajo la influencia del campo eléctrico (fig. 3), las moléculas del gas aire se ionizan, en iones positivos con carca positiva y electrones libres, con carga negativa. Los iones, cargados positivamente, son atraídos hacia la cara del aislante más próximo al electrodo negativo mientras que los electrones serán atraídos hacia la cara opuesta, que es positiva. Cuando estas cargas eléctricas llegan a la superficie aislante, no pueden continuar su marcha hacia los electrodos debido al aislamiento. Así pues, estas cargas iónicas se acumularán en las superficies de los aislantes (Fig. 4).

Ahora, al proseguir la descarga, existirán en el "gap" dos componentes del campo eléctrico, El primero, debido a la tensión aplicada que actúa desde X1 a X2 y el segundo, debido a la acumulación de cargas eléctricas depositadas en la superficie de los aislantes, que obra en sentido contrario, desde X2 hacía X1. Estos dos campos opuestos, tienden a contrarrestarse mutuamente y cuando más dure la descarga, mayor será la carga eléctrica que se depositará, Esto continuará hasta que el campo resultante en el aire del "gap" haya disminuido hasta no poder mantener la conducción por el aire, con lo cual la descarga se extinguirá.

Esta acción de descarga es muy rápida y este sencillo proceso puede completarse entre 10 y 100 n.segs. Mientras que para iniciar el proceso es necesario un campo eléctrico muy elevado una vez se ha formado un canal de descarga, éste persiste hasta que el campo quede reducido a 1/10 aprox. de su valor inicial. 
Si la tensión aplicada es en corriente continua las cargas eléctricas depositadas prohibirán cualquier descarga posterior hasta que las cargas se hayan eliminado por fugas, para lo cual pueden ser necesarios muchos segundos; el campo opuesto se reducirá y el campo resultante aumentará hasta que se produzca una nueva descarga.

Por lo que, en tensión continua el fenómeno es irrelevante pues solo ocurre una descarga al conectar el voltaje y otra al desconectarlo. Mucho mayor interés tiene el estudio de las descargas bajo tensiones de corriente alterna, en donde se producirán al menos dos descargas en cada ciclo.

En corriente alterna se produce el mismo mecanismo físico básico, pero ahora la tensión aplicada varía y se invierte constantemente de modo que cuando haya tenido lugar una descarga mientras la tensión aplicada es positiva, se depositará carga en la forma descrita anteriormente. Entonces, la tensión aplicada no afectará a las cargas depositadas existentes en las superficies de los aislantes, las cuales durante pocos milisegundos, permanecerán fijas. Cuando la tensión aplicada se ha reducido a cero, el campo eléctrico subsiguiente en el “gap” o distancia interelectródica será totalmente debido a la presencia de las descargas depositadas. Al invertirse, ahora, la tensión aplicada, dicho campo debido a las cargas de sumará al campo creado por la tensión aplicada. (fig. 5). Ahora, el “stress” eléctrico resultante en el “gap” puede ser suficiente para producir la ruptura del aire, y ser causa de otra descarga en sentido contrario, incluso cuando la tensión aplicada sea muy baja. Como la tensión en el “gap” continua aumentando hacia su valor máximo negativo, puede producirse una nueva descarga (fig. 8).

Así cuando la tensión aplicada es de corriente alterna, se produce descarga en cada semiperiodo de la alimentación. La figura 10 indica de qué modo la tensión en el “gap” aumenta y disminuye durante todo el periodo y también, que la descarga se producirá normalmente cuando la tensión aplicada está aumentando desde cero a su valor máximo o “pico”, tanto positivo como negativo.


Figura 10: Formas de onda de voltaje y corriente generadas por DPs.

Estos puntos o situaciones de descarga pueden presentarse en el interior del aislamiento de cualquier equipo de alta tensión o cables, aparamenta, “bushings” (aisladores pasatapas), transformadores de medida (de tensión y de intensidad), transformadores de potencia, etc.

El ejemplo que se ha indicado, de un “air gap” encerrado, es un ejemplo típico de una situación de descarga. Existen otros muchos puntos o situaciones de descarga, descargas superficiales, descargas en el aire (efecto corona), descargas en aceite y cualquier otro caso en el cual la trayectoria de la descarga sólo parcialmente establece puente entre los electrodos.

RESUMEN

Una descarga parcial es una ruptura de tensión que no pone en cortocircuito la fuente o alimentación de tensión, en general, es una consecuencia de concentraciones locales de campo eléctrico en el seno del aislamiento o en la superficie del mismo. Su aparición está ligada a la presencia de zonas que están completa o parcialmente en fase gaseosa; estas zonas se pueden corresponder por ejemplo con oclusiones en aislamientos sólidos, con burbujas formadas por la vaporización de un líquido o con gases que rodean puntas conductoras con radios de curvatura pequeños.

El efecto corona es una forma de DP que se produce en un entorno gaseoso alrededor de un electrodo que se encuentra parcialmente alejado de cualquier aislamiento sólido o líquido.

Las descargas parciales pueden ocurrir bajo “stress” tanto de corriente continua como de corriente alterna.

En el caso de corriente alterna las descargas se repiten en todos los periodos y, normalmente se producen cuando la tensión aplicada está aumentando desde cero al valor de pico.



FUENTES:

Robinson Instruments
Laboratorio Oficial de Electrotecnia (LCOE)
Tettex Instruments
International Standard IEC 60270. High voltage test techniques -  partial discharge measurements.

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Ensayos de Descargas Parciales (DP’s) en equipos de Alta Tensión
https://imseingenieria.blogspot.com/2015/07/ensayos-de-descargas-parciales-dps-en.html









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