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Pruebas del estado de aislamiento de alta tensión
Las pruebas preventivas y periódicas de descargas parciales permiten detectar roturas
inminentes en los dispositivos eléctricos
Rene Hummel, ingeniero de aplicaciones en descargas parciales
[email protected]
OMICRON Energy Solutions GmbH, Berlín
Las descargas parciales (PD) pueden dañar el aislamiento de los dispositivos que están sometidos a altas
tensiones. Esto puede provocar la destrucción total del dispositivo. Para evitar una rotura repentina y
realizar reparaciones preventivas, pueden medirse y evaluarse las descargas parciales. Los sistemas de
medición de descargas parciales permiten evaluar rápidamente el estado del equipo afectado –esto se
puede realizar en línea o fuera de línea. Los resultados indican el estado actual del aislamiento y permiten a
los gestores de activos, desarrolladores de productos y usuarios detectar, evaluar y localizar fallas
rápidamente, para evitar roturas.
¿Qué es una descarga parcial?
Las descargas parciales son pequeñas descargas que se producen en los equipos de alta tensión y que
pueden dañar de forma permanente el aislamiento. Una rotura atraviesa toda la separación del aislamiento
mientras que una descarga parcial solo atraviesa una pequeña sección.
Si el aislante es aire, se ioniza durante una descarga parcial y por lo tanto se convierte en conductor
temporal. Debido al intercambio y recombinación del aire, la resistencia de aislamiento del aire vuelve a su
estado inicial en su mayor parte. Sin embargo, si las descargas parciales se producen en materiales de
aislamiento sólidos, pueden resultar dañados de forma irreparable. Una vez dañados, la mayoría de los
materiales de aislamiento pierden su propiedad de aislamiento. El res ultado es que las descargas parciales
se hacen más frecuentes y peligrosas.
¿Dónde se producen las descargas parciales?
Las descargas parciales pueden producirse en cualquier parte de los equipos sujetos a altas tensiones.
Cuando se utilizan dispositivos de alta tensión, se generan fuertes campos eléctricos. Las descargas
parciales pueden producirse tanto dentro como fuera del material aislante. El envejecimiento de los
materiales de aislamiento con el uso, favorece la aparición de descargas parciales.
¿Cuándo se producen las descargas parciales?
Las descargas parciales se producen cuando la intensidad del campo eléctrico local es demasiado alta. En
el desarrollo de equipos de alta tensión, es importante evitar una intensidad de campo excesivamente alta.
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Los errores de fabricación, los daños ocasionados durante el transporte y el uso y desgaste del material de
aislamiento pueden afectar al aislamiento de los campos eléctricos.
Figura 1a
Campo eléctrico en condiciones de
funcionamiento normal
Figura 1b
Cavidad en el material de
aislamiento
Figura 1c
Los equipotenciales indican una
acumulación junto a la cavidad
Esto debería explicar lo que provocó esa intensidad de campo excesivament e alta. En la figura 1a se
representa un electrodo a la derecha y a la izquierda. Entre estos dos, se forma un campo homogéneo en el
material de aislamiento sólido. En la figura 1b se muestra el mismo escenario, excepto que aquí hay una
cavidad en el material de aislamiento. La constante dieléctrica (εr) del aislante sólido es εr = 3; pero es
εr = 1 para la cavidad llena de gas. Las constantes dieléctricas variables crean un campo no homogéneo. El
campo eléctrico en la cavidad es tres veces mayor que en el aislante sólido.
Los equipotenciales de la figura 1c indican una acumulación cerca de la cavidad. La tensión en la cavidad
es casi tres veces mayor que en el aislante sólido. Si la intensidad de campo eléctrico es demasiado alta
provoca descargas parciales.
Durante la fabricación, se pueden acumular impurezas, que a su vez provocan la formación de cavidades.
Las tensiones térmicas en el material de aislamiento pueden causar cavidades y desgastes. Estas
tensiones térmicas pueden formarse durante el funcionamiento normal debido al calentamiento y
enfriamiento cíclicos o debido a un sobrecalentamiento.
Al igual que con el plástico y el aire, siempre es en aquellos lugares donde se unen los materiales aislantes
con diferentes constantes dieléctricas donde puede producirse el efecto pelicular. Esto es en gran medida
indeseable y pasa desapercibido.
¿Por qué son tan peligrosas las descargas parciales?
Las descargas parciales causan la formación de un canal de plasma que puede generar una temperatura
de varios miles de grados Kelvin. Este increíble calor es lo que hace que todos los materiales aislantes
cercanos, así como los metales resulten dañados sin posibilidad de reparación. Como la mayoría de las
descargas parciales se repiten en cada ciclo de tensión, no es raro que se produzcan varios cientos de
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descargas parciales por segundo. La velocidad a la que se produce el daño no se ve afectada por la
ubicación de las descargas parciales y los materiales aislantes utilizados. Esto significa que no se puede
llevar a cabo un análisis preciso del ciclo de vida del equipo afectado. Aparte de algunas excepciones muy
limitadas, las descargas parciales reducen el ciclo de vida del equipo afectado.
Si las descargas parciales pasan desapercibidas, las rupturas pueden producirse sin previo aviso y
provocar grandes costos. Si el equipo resulta dañado por una explosión o la producción se ve paralizada,
los costos de una ruptura repentina son a menudo superiores a los de adquisición de equipos o dispositivos
de alta tensión, por un factor de cuatro. Mediante la detección temprana de descargas parciales pueden
planificarse y realizarse las reparaciones o reemplazos de las partes afectadas.
¿Cómo se miden las descargas parciales?
Las descargas parciales se pueden medir en línea o fuera de línea. Ambos métodos tienen ventajas y
desventajas.
La norma IEC 60270 establece cómo se puede realizar una medición fuera de línea de descargas parciales
con una fuente de tensión independiente, un condensador de acoplamiento y las impedancias de medición.
En esta norma se establecen la mayoría de los valores límite para las descargas parciales de los equipos.
Para estas pruebas, se utiliza una tensión superior a la de funcionamiento.
Los daños en el aislamiento muestran especialmente un comportamiento de histéresis con respecto a las
tensiones de inicio y de extinción de la descarga parcial. Por lo tanto, es posible que el inicio de la descarga
parcial se produzca en el aislamiento durante sobretensiones breves, y que la extinción solo se produzca si
la tensión se ajusta a unos pocos kV por debajo de la tensión de funcionamiento.
Se recomienda especialmente realizar estas pruebas en los equipos durante su fabricación, una vez
montados, antes de su uso y después durante las pruebas periódicas. A menudo es el comprador el que
tiene que aceptar contractualmente este tipo de pruebas y realizarlas con los usuarios posteriores
Figura 2
Medición de descargas
parciales
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Si realiza una medición de descargas parciales en línea, solo necesitará los sensores y no una fuente de
tensión independiente. Si instala sensores en el equipo objeto de prueba, podrá fácilmente repetir las
pruebas y realizar mediciones a largo plazo. Con los sistemas de medición adecuados, se pueden realizar
análisis de tendencias en función del tiempo, que revelan la rapidez con que se está produciendo el
deterioro.
¿Cuándo deben medirse las descargas parciales?
Cuando se trabaja con equipos de alta tensión, se recomienda realizar mediciones no solo durante el primer
uso, sino también posteriormente de forma periódica. La frecuencia de estas pruebas viene determinada
por la importancia y los daños previos del equipo que se está probando. Si ya se han detectado descargas
parciales frecuentes, deberán realizarse varias pruebas al año.
Los cambios repentinos en la intensidad de las descargas parciales indican una mayor probabilidad de
rotura de los equipos. Mediante la realización de pruebas repetidas o mediante un monitoreo continuo, se
puede calcular la vida útil restante de los equipos. Por lo tant o, el equipo puede utilizarse basándose en su
estado y no solo en el tiempo de funcionamiento.
¿Cómo se evalúan los resultados de las pruebas?
Los criterios más importantes para la evaluación de diferentes descargas parciales son la tensión, la
frecuencia y el número de fuentes de la descarga. Si alguno de estos criterios aumenta, también lo hace el
riesgo.
La interpretación de los resultados de la prueba depende en gran medida de los niveles de interferencia que
puedan producirse durante la prueba. Si la medición se realiza de conformidad con las normas establecidas
y con el equipo de pruebas correcto, los resultados suelen ser bastante fáciles de interpretar.
Figura 3
Las fuentes de perturbaciones quedan excluidas de los resultados gracias a los métodos especialmente desarrollados.
Esto permite analizar con mayor facilidad diferentes fuentes de DP por separado .
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Las soluciones especiales de hardware y software –como el sistema de medición de DP MPD 600 de
OMICRON– permiten la medición sincronizada de DP en varios anchos de banda con frecuencias de libre
elección para medición y apantallamiento. Gracias a este método, se pueden excluir de los resultados las
fuentes de interferencia y pueden analizarse individualmente diferentes fuentes de DP. Mediante el cambio
de los ajustes de filtro, el sistema MPD 600 puede adaptarse con flexibilidad a las condiciones del entorno.
Esto garantiza el nivel de sensibilidad de medición más alto posible. También permite llevar a cabo eficaces
mediciones incluso en entornos con altos niveles de perturbación. Esto implica que ya no es necesario
adquirir equipos de prueba especialmente protegidos.
OMICRON ofrece sistemas de medición de DP para diagnóstico y para monitoreo continuo. Los sistemas de
medición tienen un diseño modular, lo que significa que pueden agregarse fácilmente si el usuario necesita
ampliarlos. Los sistemas de medición se pueden utilizar en todos los dispositivos que funcionan con altas
tensiones. Eso no solo incluye a los proveedores de energía, los equipos de alta tensión y sus fabricantes.
Estos sistemas de medición también se utilizan en medicina, los sectores de automoción y aeronáutico, así
como en las universidades.
Acerca del autor
René Hummel trabaja para OMICRON en Berlín como ingeniero de aplicaciones en
descargas parciales. Estudió ingeniería eléctrica en la Universidad Técnica de Berlín,
con especialización en tecnología de alta tensión, electrónica de potencia, electrónica
analógica y digital, así como microelectrónica. En OMICRON, como experto en medición
de descargas parciales, René Hummel realiza pruebas de puesta en servicio in situ para
los clientes, les asesora y dirige programas de capacitación especializada en DP en
todo el mundo. Como miembro de la IEEE, trabajando en el grupo de trabajo F04W del PES/ICC, ayuda a
establecer directrices para la medición in situ de DP. Es profesor en la VDE (Asociación de Tecnología
Eléctrica, Electrónica y de la Información) y da conferencias en universidades sobre temas relaciona dos con
las descargas parciales.
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OMICRON es una compañía internacional que presta servicio a la
industria de la energía eléctrica con innovadoras soluciones de
prueba y diagnóstico. La aplicación de los productos de OMICRON
brinda a los usuarios el más alto nivel de confianza en la
evaluación de las condiciones de los equipos primarios y
secundarios de sus sistemas. Los servicios ofrecidos en el área de
asesoramiento, puesta en servicio, prueba, diagnóstico y formación
hacen que la nuestra sea una gama de productos completa.
Nuestros clientes de más de 140 países confían en la capacidad de la
compañía para brindar tecnología de punta de excelente calidad. Los
Service Centers en todos los continentes proporcionan una amplia base
de conocimientos y un extraordinario servicio al cliente. Todo esto, unido
a nuestra sólida red de distribuidores y representantes, es lo que ha hecho
de nuestra empresa un líder del mercado en la industria eléctrica.
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