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jueves, 18 de abril de 2019

Técnicas de medida de las Descargas Parciales (y Parte 2ª)



Método no eléctrico

También llamado «método acústico» para el que se aplicará.

Una descarga parcial (DP) se caracteriza por una liberación muy brusca de energía (pulsación) que se desplaza por el medio, en forma de una onda de presión. El espectro de frecuencias de esta onda, va desde la frecuencia audible hasta algunos MHz (ultrasonidos).


Figura 6: Detector ultrasónico del Efecto Corona

Al propagarse por el medio, esta onda tiene una atenuación que depende de la naturaleza del medio y de la frecuencia.

Si el medio donde se ha producido la DP es el aire (caso de efecto corona en líneas) las frecuencias audibles se propagan mejor (se atenúan menos) que las frecuencias superiores (figura 6).

Si el medio donde se ha producido la DP es un sólido, un líquido o una combinación de ambos, las frecuencias superiores se atenúan menos (se propagan mejor) que las frecuencias más bajas.

En el caso concreto de los transformadores en baño de aceite (conjunto o combinación de medio sólido y medio líquido) los datos obtenidos del estudio del proceso de la DP apuntan a una acumulación de energía en la banda de frecuencia centrada en los 150 kHz.

El método consiste en captar estas ondas y evaluar su «energía relativa» que es proporcional a la energía de la DP que las ha originado (figura 7).


Figura 7: Sensor ultrasónico colocado en la pared de la cuba de un transformador

Tal como pasa con el concepto de carga aparente, la energía relativa no es igual a la energía realmente liberada por la DP pero al serle proporcional, es utilizable para medir el nivel de DP. Esta energía relativa se expresa en valor adimensional, o sea, no referido a ninguna unidad de la física. Se trata, de medidas arbitrarias enteras llamadas «pulsos» (o «counts» en inglés).

Los equipos, basados en este método, para  la medida de la DPs en transformadores en baño de aceite se componen de:
  • un sensor ultrasónico (transductor piezoeléctrico) que se adosa a las paredes del transformador y capta la onda generada por la DP. Este sensor acostumbra a estar diseñado para un paso de banda estrecho centrado en los 150 kHz. Es del tipo resonante a esta frecuencia, de forma que su sensibilidad es máxima en la banda de los 150 kHz,
  • aparato o monitor electrónico digital, el cual está conectado al sensor piezoeléctrico. Amplifica la señal captada por el sensor, la procesa y computa su energía relativa. Es el instrumento de medida (digital o analógico). El aparato tiene un selector de niveles de amplificación de la señal, expresados en dB,
  • osciloscopio conectado a este aparato electrónico para visualizar en su pantalla la señal analógica captada, una vez amplificada.
Los equipos actuales tienen además otras prestaciones como:
  • memorización de las lecturas efectuadas,
  • autocalibración para asegurar la repetibilidad de las medidas hechas, a los efectos de la correcta comparación con medidas anteriores o futuras,
  • salida para transmisión de los datos y valores medidos, a un ordenador (PC) compatible con programa de gestión de sonidos.
Son equipos portátiles, concebidos para hacer medidas «in situ».

En este método de medida se presenta también el problema de las perturbaciones (interferencias). El sensor piezoeléctrico, además de la onda ultrasónica generada por la DP capta también otras ondas de frecuencia, distintas a la DP que distorsionan la medida. En la figura 2, se han especificado las posibles procedencias de las perturbaciones, bastante frecuentes en las instalaciones de alta tensión. Se les llama «ruidos» o «ruidos de fondo».

Con el fin de discriminar y minimizar estos «ruidos» ajenos a la onda de DP, el equipo filtra todas las frecuencias exteriores a la banda de los 150 kHz. De esta manera, aunque no eliminan totalmente los «ruidos», la relación de amplitudes «señal DP/ruido» es mucho más elevada, ya que según lo indicado, el sensor piezoeléctrico tiene su máxima sensibilidad en la citada banda de frecuencia.

También ayuda a discriminar en los oscilogramas, la señal correspondiente a la DP de las correspondientes a los «ruidos», el hecho de que las descargas parciales son periódicas. Con la tensión de 50 Hz presentan máximos cada 10 ms o sea, a cada máximo, positivo o negativo, de la tensión. Las señales correspondientes a los ruidos acostumbran a ser más desordenadas o aleatorias.

Como ejemplo se anexan algunas imagenes de DPs obtenidos con este método de medida. (Figura 8).

En los nº 1 a 5 se observa esta periodicidad de las DPs. corresponden al caso de DPs relativamente importantes.

Los nº 7 a 9 corresponden al caso de DPs poco importantes o casi inexistentes.

Situaciones intermedias corresponden a los casos 6 y 10.


Figura 8: Imágenes de DPs procesadas en ordenador

Hay que tener en cuenta que la energía detectada por el captador depende de los siguientes factores:
  • para una DP de intensidad determinada, la amplitud de la onda que llega al captador es función del camino de la descarga y de la atenuación de la onda hasta llegar al sensor, el cual a la vez depende del medio de propagación y de la distancia entre el lugar de la DP y el sensor,
  • duración de la señal. La energía no solo es función de la intensidad de la señal sino también del tiempo de duración,
  • frecuencia de aparición de la señal. Mayor frecuencia significa mayor energía,
  • nivel de amplificación (dB) de la señal.
De todo esto se desprende, que los valores medidos de la energía relativa no pueden ser considerados en un sentido absoluto.

Ahora bien por comparación con valores de referencia (por ejemplo otros transformadores medidos) pueden revelar un orden o nivel de gravedad.

En este método, y más que en el basado en la medida de la carga aparente «q», lo más importante es la comparación de los valores obtenidos con las anteriores medidas o sea, la evolución temporal o tendencia.

Lógicamente, las sucesivas medidas, para que sean comparativas se han de hacer en las mismas condiciones de:
  • situación del sensor piezoeléctrico en el transformador,
  • tensión y frecuencia de alimentación del transformador,
  • nivel de amplificación de la señal.
En relación a la posibilidad de establecer una correlación entre los valores obtenidos con el método de medida de la carga aparente «q» en pC, y el de medida de la energía relativa en «pulsos» o «counts», hace falta decir lo siguiente, refiriéndonos concretamente a los transformadores en baño de aceite.

La medida del contenido de DPs  se hace en la fábrica constructora o en un laboratorio, antes de la entrega al comprador, y sirve para comprobar que el valor obtenido no sobrepasa el máximo admisible indicado por la norma, o bien acordado previamente con el comprador. Desde este punto de vista, el valor en pC es definitorio en sí mismo, aunque no se hagan posteriores medidas.

En otro aspecto, el valor medido en pC, es un valor global de las DPs de todo el transformador o bien de las de cada fase, si la medición se hace fase por fase. En la práctica, no es factible mejorar la discriminación.

La medida en pulsos de energía relativa para el sensor piezoeléctrico, se realiza en el lugar de la instalación cuando el transformador ya lleva un cierto tiempo en servicio, y de manera periódica, por ejemplo incluida en el programa de mantenimiento preventivo o predictivo.

En otro aspecto, los valores medidos corresponden a puntos concretos del transformador, según donde se coloca el captador piezoeléctrico. Esto que según se explica seguidamente, es una de las grandes ventajas de este método, hace en cambio inviable establecer una correlación con los valores medidos en pC.

Según ya se ha indicado antes, la medida en «pulsos» de energía relativa tiene como objetivo primero el seguimiento de la tendencia o evolución temporal del estado de los aislamientos en lo que concierne a las DPs, a base de medidas en intervalos de tiempo.

Ventajas del método no eléctrico

Este método de medida no eléctrico de las DPs en pulsos de energía relativa presenta dos importantes ventajas:
  • posibilidad de medida en el lugar de la instalación y con el transformador en servicio. Aspecto ya explicado,
  • posibilidad de localizar la zona o zonas del transformador donde se producen las DPs. Esta ventaja está implícitamente indicada en la ya nombrada norma IEC 60270.
Se va colocando el captador en diferentes puntos de las paredes y del fondo del transformador y se van haciendo medidas, con el mismo nivel de amplificación de la señal.

La misma comparación entre los valores obtenidos en los diversos puntos puede dar ya una primera indicación («pista»), puede aparecer un valor significativamente elevado, etc.

Para realizar una exploración sistemática se recomienda ir colocando el captador en puntos de las paredes del transformador en intervalos de 1,5 m aproximadamente. También colocarlo en el fondo de la cuba.

Si se trata de un transformador de gran potencia esta medida sistemática puede resultar las primeras veces laboriosa, para medidas sucesivas es posible simplificar la medida eliminando los puntos de valores bajos y concentrándose los puntos de valores altos,

La experiencia de cada caso determina la política a seguir.



FUENTES:

Boletin Tettex Instruments: Medición de Descargas Parciales
Robinson Instruments: Discharge Detection Systems
Robert Capella: Medición del nivel de descargas parciales
International Standard IEC 60270. High voltage test techniques - partial discharge measurements.


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