Las
normas correspondientes a ciertos elementos y/o aparatos eléctricos de media y
alta tensión como cables, transformadores de medida y de potencia, equipos de maniobra,
etc., indican valores máximos admisibles del nivel de Descargas Parciales (a
partir de ahora DPs) expresados en picocoulomb de carga aparente «q». Así por ejemplo,
para transformadores de medida: 50 pC, para transformadores de potencia de aislamiento
seco (resina): 10 pC, para atravesadores SF6/aire y para bornas (bushings)
de AT de transformadores se acostumbra a
indicar el orden de 3 pC como valor admisible.
Los
valores indicados en pC se entienden para una tensión aplicada igual a la nominal
del objeto a probar.
Para
el adecuado control del estado de un aislamiento, es conveniente repetir la
medida de las DPs en intervalos de tiempo a fin de comparar los valores
obtenidos con los de medidas anteriores, por ejemplo la medición hecha en la
fábrica al finalizar la construcción, y antes de la entrega. Esto quiere decir
que las posteriores medidas de DPs se harán cuando aquel elemento o aparato
esté instalado y en servicio. En muchas ocasiones se trataría de hacer una
medida en el lugar de la instalación (medida «in situ»). Ahora bien en la
práctica, en muchos casos esta medida «in situ» es difícil o imposible de realizar.
En
efecto, requiere que el objeto a probar (transformador de potencia o de medida,
aparato de maniobra, cable, etc.) esté fuera de servicio y además desconectado
del resto de la instalación. Esto es cada vez más difícil debido a la creciente
exigencia respecto a la continuidad del servicio. La desconexión y posterior
reconexión puede ser en ocasiones especialmente laboriosa.
En
muchos casos se presentan problemas de espacio para colocar el equipo de medida
en el lugar donde está instalado el objeto a probar, sea por las dimensiones del
condensador de acoplamiento y/o de la fuente de tensión o bien por las distancias
eléctricas necesarias a las otras partes de la instalación, ya que se trata de un
ensayo en alta tensión.
El
ensayo en la fábrica o un laboratorio se puede hacer dentro de un recinto
blindado, que permite obtener resultados más precisos.
En
las medidas «in situ», las interferencias de diversas procedencias, disminuye
la precisión de la medida y pueden llegar a hacerla poco comparable con la
hecha dentro de un recinto blindado.
Para
solventar estas dificultades, se ha desarrollado el procedimiento de evaluación
del nivel de DPs llamado procedimiento no eléctrico, indicado en la norma IEC 60270,
y descrito más adelante.
Criterios generales para la medida
de Descargas Parciales (DPs)
La
norma CEI-60270, establece las reglas generales en lo que se refiere a la
medida de las Descargas Parciales.
Según
esta norma, hay dos sistemas generales para la detección y medida de las DPs:
- el método eléctrico, que consiste en evaluar la llamada «carga aparente» o amplitud de la descarga, expresada en coulomb (normalmente en picocoulomb),
- el método no eléctrico que consiste en la captación y evaluación de las ondas de presión (básicamente en el dominio de los ultrasonidos) producidos por las DPs.
Método eléctrico
Cuando
en una cavidad del dieléctrico se produce una DP, una cierta parte de la energía
que había en la cavidad se disipa en forma de carga eléctrica «q». A esos efectos
la cavidad puede considerarse un condensador.
Como
no es posible medir el valor de esta carga «q» que se ha puesto en juego con la
DP, ha sido necesario definir un valor que pueda medirse y que sea una imagen
lo suficientemente buena de la energía disipada por la DP en el seno del
dieléctrico.
Este
valor se llama carga aparente «q» y se considera dimensionalmente como una cantidad
de electricidad. La norma lo define de la forma siguiente:
La
carga aparente «q» de una descarga parcial es la carga que, si se inyectara instantáneamente
entre los bornes del objeto a ensayar, cambiaría momentáneamente la tensión
entre los mencionados bornes, en la misma medida que cuando se produce una descarga
parcial. El valor absoluto «q» de la carga aparente se llama habitualmente amplitud
de la descarga. La carga aparente se expresa pues en coulomb. Normalmente es
del orden de picocoulombs.
La
carga aparente así definida, no es igual al valor de la carga transferida
efectivamente a través de la cavidad en el interior del dieléctrico donde se ha
producido la DP pero se utiliza por ser un valor observable en los bornes del objeto
ensayado y que es función del valor de la carga efectiva de la DP. Se trata por
consiguiente de un valor que es posible medir.
Los
equipos de medida de descargas parciales, se componen básicamente de:
- instrumento de medida; o equipo de instrumentos de medida (figura 1), conectados a los bornes de la impedancia de medida que se comporta por lo tanto como un shunt de medida.
Lo que mide realmente el equipo
de instrumentos son las corrientes ocasionadas por
las DPs.
- fuente o generador de la tensión alterna a aplicar al objeto que se ensaya. Habitualmente es un transformador de salida en Alta Tensión.
En lo que se refiere al ensayo,
el objeto que se prueba se comporta como un condensador
«Ct» (figura 2), con una capacidad que dependerá de entre qué puntos se le aplica la tensión.
- condensador «Ck» (figura 2), que se conecta en paralelo con el objeto que se ensaya. Se trata de un condensador de Alta Tensión, exento de descargas parciales. Su capacidad ha de ser mayor que la del objeto a ensayar. Se llama condensador de unión o de acoplamiento.
- impedancia de medida «Z» (figura 2), conectada en serie con el condensador de unión «Ck» o bien en serie con el objeto a ensayar (condensador «Ct»),
Módulos:
Superior:
Instrumento indicador
Medio:
Detector con osciloscopio
Inferior:
Puente con décadas
Figura
1: Instrumentos de medida con detector equilibrado de DPs
tipo
9124 de Tettex Instruments
Figura 2: Circuito de
prueba para DPs y gráfica de corrientes de desplazamiento y de DPs.
Se
trata de impulsos de corriente («pulsos») que se superponen a la onda
sinusoidal de la corriente capacitiva que circula por el objeto a analizar
(condensador «Ct») cuando se le aplica la tensión alterna de prueba.
Estos
impulsos de corriente debidos a las DPs tienen valores de cresta proporcionales
a los valores de «q» (carga aparente) y por lo tanto pueden calibrarse en
picocoulombs.
Pueden
visualizarse en la pantalla del osciloscopio y de esta manera medir su
amplitud, determinar su secuencia temporal y su correlación con el valor de la
tensión alterna de prueba que se ha aplicado.
Normalmente,
este osciloscopio, que forma parte del equipo de instrumentos de medida, visualiza
los impulsos sobre una base de tiempo elíptica (sincronizada con la tensión
alterna de ensayo), figura 3.
Figura 3: Detección
de DP's a través del Osciloscopio
Este
equipo de instrumentos (figura 1) puede medir también:
- valor de la mayor de las descargas que se producen en un cierto intervalo de tiempo, del orden de algunos periodos, en escala calibrada en pico coulombs,
- medición de la frecuencia de repetición de las descargas (número de descargas por unidad de tiempo), en función de la carga aparente «q»,
- valor medio «I» de la corriente de las descargas,
- valor medio cuadrático «D» de las descargas,
- adicionalmente indicación digital o analógica del valor de la carga aparente «q» que ha visualizado el osciloscopio.
Las perturbaciones o interferencias electromagnéticas son un reto importante en lo que se refiere a la medición de las DPs, ya que pueden falsear en gran medida los valores medidos. En la figura 4, se representan las fuentes típicas de interferencias que afectan a los equipos de medida de DPs.
Figura 4: Circuito de medida de DPs con fuentes de
interferencia típicas.
La
norma IEC 60270 clasifica las interferencias en:
- Perturbaciones en principio independientes de la tensión aplicada al objeto a ensayar. Son básicamente las de procedencia exterior al equipo ensayado.
- Perturbaciones ligadas a la fuente de la tensión de prueba. Son básicamente las que tienen su origen en el propio equipo de ensayo y generalmente crecen con el aumento de la tensión de ensayo.
Por lo tanto es preciso:
- detectar estas perturbaciones, distinguiéndolas de las DPs, es decir, sin confundir unas con las otras,
- determinar su valor equivalente a una DP, o sea, medir el valor de la carga aparente «q» que tendrían si fueran realmente DPs,
- eliminarlas totalmente o en la mayor parte posible, sin que esta eliminación afecte a la medición correcta de las DPs.
Los
sistemas y métodos para eliminar estas perturbaciones son básicamente:
- filtros pasa-banda (ancha o estrecha) intercalados en la conexión entre la impedancia de medida «Z» y el equipo de instrumentos de medida. Estos filtros «depuran» la señal captada en bornes de «Z».
- impedancia de filtro «Z» colocada a la salida de la fuente de alta tensión para amortiguar las perturbaciones procedentes de esta fuente de alimentación.
- filtro en la entrada de la tensión auxiliar al equipo de instrumentación para amortiguar las perturbaciones y/o armónicos procedentes de la red de baja tensión.
- antena para captar las interferencias de radiofrecuencia (RF) y mediante circuitos lógicos determinar su naturaleza y eliminarlas de los circuitos de medida,
- circuitos lógicos que según la polaridad de los impulsos en el condensador de acoplamiento «Ck» y en el objeto a probar (condensador «Ct») determinan si son DP (polaridad diferente) o si son perturbaciones (misma polaridad).
Cuando se trata de DPs de valores pequeños los recursos explicados para eliminar las perturbaciones e interferencias pueden resultar insuficientes. En estos casos el ensayo se realiza dentro de un recinto blindado a manera de jaula de Faraday con todas las masas conductoras conectadas a tierra. Eso además de los otros recursos nombrados, en especial el filtro «Z» amortiguador de las perturbaciones provenientes de la fuente de alimentación de alta tensión.
Figura 5: Conexiones básicas según IEC 60270,
a y b:
Medición directa (Detección directa)
c:
Circuito puente
En la
publicación IEC 60270 se contemplan tres circuitos básicos para la
interconexión del circuito de prueba y el circuito de medición de las DPs, como
se muestra en la figura 5; pudiendo resolverse con ellos prácticamente todos los
problemas de medición de las DPs que se presentan en la práctica.
En todos los
circuitos Ct representa el objeto bajo prueba el cual, en la mayoría de los
casos, es representado de manera parcial por una capacitancia ideal Ct.
El calibrador
conectado en paralelo con Ct sirve para indicar la definición actual de la
magnitud de medición de la DP, la carga de impulso aparente, la cual produce en
el objeto sometido a prueba una pequeña caída de potencial, simulando el
fenómeno interno al tenerse descargas parciales en el aislamiento. Esta caída
momentánea del potencial únicamente puede producir un pulso de corriente i (t)
cuando se tenga un condensador de acoplamiento Ck en paralelo con Ct lo
suficientemente grande y que la impedancia de medición Z sea muy pequeña.
Bajo estas
condiciones la corriente de la DP es una corriente cerrada produciendo
potenciales de polaridad opuesta en los condensadores Ct y Ck (figura 2).
Al hacer la
medición directa (detección directa) es posible obtener el potencial producido
por la corriente de la DP en las terminales de la impedancia Z conectada en
serie ya sea con Ct ó Ck (figuras. 5a. y 5b).
En la práctica
se prefiere el circuito 5a ya que si se presenta un fallo en el equipo sometido
a prueba es menor el riesgo de que se dañe el sistema de medición.
En cambio la
conexión 5b presenta una mayor sensibilidad ya que parte de las corrientes de
DPs generadas en las capacidades parásitas del sistema se compensan. Para que
se pueda aplicar esta conexión es indispensable aislar de tierra el equipo
sometido a prueba.
Una gran
desventaja de la medición directa es su sensibilidad a las interferencias de
cualquier tipo, ya sea que las genere la alta tensión de prueba o que sean
inducidas en el circuito de medición Ct-Ck-Z; pudiendo ser armónicas de la
tensión de prueba, señales radioeléctricas de onda larga o media, o bien
impulsos generados por sistemas electrónicos en la red de alimentación, o
descargas parciales externas en el circuito de prueba, etc.
En cambio, al
usar un circuito puente (detector equilibrado), es posible suprimir en buena
medida parte de las señales interferentes (figura 5c).
Continua en: Técnicas de medida de las
Descargas Parciales (y Parte 2ª)
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