revista N 30
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1. Fig 3 Contene Equipos Reveladores de Descar gas Parciales Se entiende por descargas parciales el cortocircuito de una peque a fracci n de aislamiento interno burbuja que ocurre bajo condiciones normales de operaci n a frecuencia industrial La ener g a debida a tales descargas puede perjudi car la vida del aislamiento mismo Es posi ble medir la carga el ctrica causada por el cortocircuito de la burbuja debido a que generan impulsos de voltaje repetitivos de alta frecuencia que pueden ser descubier tos por amplificadores electr nicos de ca racter sticas adecuadas Los equipos usa dos en el laboratorio son analizadores de amplitudes de descargas parciales multicanales de dos tecnolog as a saber italiana el SCAPAR y Canadiense PDA IV LITE El ancho de banda de los equipos est entre 100 KHZ y 100 MHz y tienen posibilidad de medir el valor de carga apa rente con la sensibilidad de 0 1 pC Condensador de Acoplamiento de 125 pF y 25 KVr m s se comporta como un filtro paso alto es con este con densador que se capturan las se ales de DP Generador de Carga Se usa para efectuar calibraciones la cual consiste en obtener una relaci n entre las descargas parciales generadas debidas al generador de carga y la indicaci n del instrumento de detecci n Transformador de Alta Frecuen cia Se emplear durante los ensayos de envejecimiento del pol mero Est dotado de un convertidor est tico de frecuen2. Descargas Parciales en el Mantenimiento de Sistemas y T Y ha Ml e f A Equipo de Alta tensi n dotado de sus protecciones acometida consola de mando y medida contactores a 220 V alimentado desde el edificio con un trans formador libre de descargas parciales 380 32000 V de 155 KVA Para alimentar las barras o probetas el equipo dispone de un cable de alta ten si n en poliuretano reticulado de alta den sidad aislado a 34 kV y libre de descargas parciales Jaula de Procesamiento Debido a que durante la ejecuci n de las pruebas se pueden presentar campos electromagn ticos que causar an disturbios en la medi da seopt por utilizaruna jaula de Faraday Se emplea como apantallamiento del rul do el ctrico debido a la gran sensibilidad de medida requerida en los ensayos La jaula contiene los equipos reveladores de descargas parciales Scapar Ansaldo PDA IV Lite Iris Power interconectados a trav s de una fibra ptica que sirve de aislamien to galv nico entre los equipos reveladores de DP y su correspondiente PC dor con el equipo de Alta Tensi n Fig 4 Falla de una barra bajo prueba de Alta Tensi n Mediante el protocolo de comunica ci n RS232 los PC cuentan con el software necesario para el despliegue de la Distribu ci n de Amplitudes de Descargas Parciales las cuales se presentan en formato 2Dy3D discriminando la polaridad de los pulsos magnitud y cantidad
3. las se ales de DP el uso de analizadores multicanales empleando dos tecnolog as la 10 italiana con el equipo Scapar como representante y la canadiense con el PDA IV Lite Se emplea como marco de referencia y punto de partida para el planteamiento del problema el uso de la historia de operaci n ciclos de carga y ensayos no destructivos en generadores hidr ulicos sincr nicos y la importancia y el lucro cesante originado por la salida intempestiva de una unidad de generaci n ocasionada por una falla en el aislamiento en las barras que confor man el devanado de armadura de un hidrogenerador Fue indispensable la implementaci n del laboratorio de DP que se realiz con el fin de caracterizar los siste mas de aislamiento s lido utilizados en las bobinas y barras que conforman los devanados de armadura de los hidrogeneradores instalados en las EEPPM y as establecer la vida til de estos devanados a partir del an lisis de las DP y de su incidencia en los procesos de degradaci n presentes en los aislamientos utilizando procedimientos de envejecimiento prematuro implementado para ello condiciones extremas de temperatura tensi n frecuencia y vibraciones entre otras A partir de la implementaci n de los experimentos y de la norma IEEE 1043 Soportabilidad de Tensi n se establecen las estrechas relaciones existentes entre la prueba de DP y pruebas como el factor de potencia Tip Up resistencia de aislamiento y
4. Estudio de las Descargas Parciales en el Mantenimiento de Sistemas Evoluci n de las Descargas Parciales y su Incidencia en el Deterioro y Fallo de los Aislamientos S lidos de las Juan Carlos Toro Londo o H ctor Gonz lez EEPPMI Colombia jtorol Veeppm com hgonzale Veeppm com Trabajo destacado entre los presentados en el Seminario Internacional sobre Mantenimiento y Servicios Asociados en Sistemas El ctricos SIMSE 2003 realizado en Cartagena de Indias Colombia del 10 al 13 de agosto de 2003 1 Introducci n 2 Implementaci n del Laboratorio 3 Experimentos 4 Resultados O Referencias Resumen La medici n de las DP es una prueba de tipo y rutina y es efectuada sobre equipos bobinas que tienen un aislamiento interno cuyas caracter sticas pueden sufrir un r pido envejecimiento debido a la presencia de DP La evoluci n de se ales de DP es un s ntoma de que el aislamiento se ha degradado y est pr ximo a la falla El objetivo de la investigaci n obedece a responder la siguiente pregunta Pueden ser las DP una muestra real del estado de deterioro del aislamiento en los devanados de una m quina el ctrica al punto que el an lisis de su evoluci n pueda definirse como ndice de deterioro o no del mismo Una vez resuelta esta pregunta se pretende determi nar el tipo y alcance del mantenimiento a realizar Para cumplir con este objetivo se plantea utilizar como m todo de obtenci n de
5. actor Tip Up of Rotating Machinery Stator Coil Insulation IEEE Standard No 286 Julio de 1975 IEEE Guide Recommended practice for testing insulation resistance of rotating machinery IEEE Standard No 43 2000 Revisi n de la norma IEEE 43 de 1974 TORO Juan Carlos En SEMINARIO TECNOLOG A Y DIAGN STICO DE AISLAMIENTO PARA GRANDES M QUINAS ROTATIVAS 1 2000 Santiago de Cali Memorias del Seminario Tecnolog a y Diagn stico de Aislamiento para Grandes M quinas Rotativas Santiago de Cali 2000 OMESGASCOPE Manual de Usuario Handheld Infrared Thermometer Stamford U S A 2000 OMESGASCOPE Manual de Usuario HX SS RH Probe Stamford U S A 2000 IEEE DIELECTRICS AND ELECTRICAL INSULATION SOCIETY Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Agosto de 1995 Vol 2 N mero 4 IEEE Gu a T cnica Normalizada para la Medida de las Descargas Parciales en M quinas Rotativas IEEE Std 1439 1999 IEEE Power Engineering Society IEEE Guide Test Procedures For Synchronous Machine Part Acceptance and Performance testing IEEE Std 115 1995 pp 5 A Revista CIER A o XIV N 47 Octubre Noviembre Diciembre 2005 13
6. ante Mediante el uso de esta probeta se podr inferir sobre el comportamiento del aislamiento sometido a un campo el ctri co intenso en presencia de una cavidad gaseosa englobada en el medio diel ctrico Fuente Vibratoria Es un prototipo di se ado para simular las mismas condicio Fig 6 Probeta con resina ep xica sometida a proceso de vac o y nes reales de las barras estat ricas de los grandes generadores sincr nicos intentan do recrear las vibraciones a las cuales las barras est n sometidas a la salida del estator esta se compone esencialmente de una unidad hidr ulica y de un sistema de control electr nico que se encarga de en viar y modular los pulsos el ctricos a la servo v lvula El elemento fundamental de la fuente vibratoria sin duda alguna es la servo v lvula Esta se encarga de controlar el movimiento del pist n que choca contra la barra estat rica de pruebas simulando un efecto de vibraci n En realidad lo que se genera es un movimiento pulsatorio concentrado en un solo punto lo que se traduce en vibraci n a lo largo de toda la barra m3 presi n Fig 7 Vista General de la Fuente Vibratoria Revista CIER A o XIV N 47 Octubre Noviembre Diciembre 2005 13 Estudio de las Descargas Parciales en el Mantenimiento de Sistemas 3 Experimentos Coupler C1 Para lograr evaluar la acci n de las diferentes mecanismos de degradaci n que se implementaron para evaluar
7. cia 800 Hz de 0 10000 voltios onda senoidal El transformador con un potencia de 3 kVA Fig 5 Equipos Reveladores de DP Revista CIER A o XIV N 47 Octubre Noviembre Diciembre 2005 alimentaci n 220 V AC 60 Hz monof sico tiene la capacidad de regular el voltaje de 0 a 10000 V Sistema de Calentamiento de las Barras Con el fin de ejecutar la prueba de soportabilidad de voltaje Voltaje Endurence Norma IEEE 1043 a las barras de prueba se dispone de un sistema de calentamiento de barras dotado de resis tencias de calentamiento El juego de resis tencias van insertas en moldes met licos con una carga de 6000 vatios por barra El control de la temperatura se har median te el uso de sensores t rmicos RTD termocuplas o sistema infrarrojo y el con trolador el cual operar un actuador dota do de tiristores de potencia con el fin de mantener la temperatura de prueba den tro del rango preestablecido Tarjeta y Sensores Para la adquisi ci n de se ales datos y control de las pruebas de envejecimiento prematuro Se usa la tarjeta de adquisici n de datos DAQP 208H QUATECH la cual recibe las se ales provenientes de sensores de temperatura humedad transferencia de calor y las se a les de voltaje frecuencia y corriente trif sica y las elabora convenientemente a fin de presentar los despliegues gr ficos hist ri cos de las variables de prueba Transformador de Aislamiento Con el fin de establece
8. da adem s de las condiciones ambientales bajo las cuales son efectuadas las pruebas temperatura ambiente hu medad relativa y presi n atmosf rica La evoluci n de se ales de descargas parcia les es un s ntoma de que el aislamiento se ha degradado y est a pr ximo a la falla Para la realizaci n de las investigacio nes fue necesario implementar un labora torio dotado con los equipos necesarios para la implementaci n de pruebas de envejecimiento prematuro 2 Implementaci n del Laboratorio El laboratorio est ubicado en la cen tral Hidroel ctrica La Ayur de propiedad delas Empresas P blicas de Medell n E S P en el municipio de Envigado departamen to de Antioquia All se ha distribuido el equipo de alta tensi n las jaulas de prueba y filtro de ruido el equipo de alta frecuen cla la fuente vibratoria y los sistemas elec tr nicos para el monitoreo continuo de las se ales a controlar tensi n frecuencia fuerza aplicada temperatura humedad relativa Se cuenta con los siguientes equipos e infraestructura La Jaula para Ensayos Se usa para alojar las probetas y barras que ser n so metidas a las pruebas de alta tensi n y envejecimiento prematuro Se emplea como sistema de apantallamiento el ctri CO Figura 2 Jaula de ensayos y pruebas Figura 1 Vista General del Laboratorio Revista CIER A o XIV N 47 Octubre Noviembre Diciembre 2005 11 Estudio de las
9. do a la variaci n de la resisten cia superficial de las paredes del diel ctrico 1 Introducci n La implementaci n del laboratorio de descargas parciales se realiz con el fin de caracterizar los sistemas de aislamiento s lido utilizados en las bobinas y barras que conforman los devanados de armadu ra de los hidrogeneradores instalados en las Empresas P blicas de Medell n E S P y as establecer la vida til de estos devana dos a partir del an lisis de las descargas parciales y de su incidencia en los procesos de degradaci n presentes en los aislamien tos utilizando procedimientos de enveje cimiento prematuro implementado para ello condiciones extremas detemperatura tensi n frecuencia y vibraci n entre otras La medici n de las Descargas Parciales DP es una prueba de tipo y rutina y es efectuada sobre equipos bobinas que tie nen un aislamiento interno cuyas caracte r sticas pueden sufrir un r pido envejeci miento debido a la presencia de descargas parciales Mediante el monitoreo de se ales y registro de mediciones se determina el estado del sistema aislante con la ayuda de equipos reveladores multicanales que rea lizan el Despliegue de Amplitudes de Des cargas Parciales DADP Estas mediciones y registros son del tipo no destructivo y no intervienen en el proceso de envejecimiento prematuro mediciones y registros tales como tensi n temperatura frecuencia pulsaciones y fuer za aplica
10. emperatura Ensayo 8 Barra Nueva NEC Tensi n 8 Kv 800 Hz Alta Temperatura Ensayo 9 Barra Nueva Mitsubishi Ten si n 8 Kv 800 Hz Temperatu A 0 40 80 120 160 200 ra Ambiente ble ESCALA vol 7000 TE P IMPRIMIR Clciclo 1055126 Ensayo 10 Barra Nueva Mitsubishi Ten O FIN pCciclo 987469 si n 8 Kv 60 Hz Temperatura Comulative function in heibull plot Ambiente coner ga l 5 0 9999 Ensayo 11 Barra Usada Tensi n 16 Kv 0 9990 60 Hz Temperatura Ambien 0 9900 te 0 9000 CS AOS IO II a O A A Ensayo 12 Barra Usada Tensi n 8 Kv 800 O O A A S Figura 9 Hz Temperatura Ambiente a Despliegues de Ensayo 13 Barra Usada Tensi n 8 Kv 800 A Eoo F Hz Alta Temperatura SCAPAR E gt pra b DADP de una Ensayo 14 Ataque Qu mico al Aislamien e rie cel to proceso final de i envejecimiento Ensayo 15 Pruebas a una Formilla de Ba a reportado en un rras Press lt ESC gt to continue plano de Weibull 14 Revista CIER e A o XIV N 47 Octubre Noviembre Diciembre 2005 4 Resultados Los ensayos permiten corroborar que mediante el empleo de esta t cnica es factible identificar el tipo de deterioro que posee el aislamiento y la evoluci n del defecto en el tiempo La distribuci n de amplitud de las des cargas parciales y sobre todo su for ma es capaz de caracterizar el estado deenvejecimiento o bien las condicio nes del sistema ais
11. lantes examinado Conforme a lo que se ha mostrado por medio del an lisis de los resultados experimentales ilustrados anteriormen te la distribuci n obtenida sobre un sistema aislante en una condici n preestablecida puede considerarse para el sistema aislante como una huella digital capaz de caracterizarlo por lo que concierne a los procesos de descargas parciales y a su envejeci miento Por lo tanto por medio de la comparaci n entre los DADP adquiri dos con los equipos usados Scapar y PDA IV LITE en tiempos distintos es posible evidenciar cualquier variaci n presente en el sistema aislante bajo prueba causada por los procesos de degradaci n ocasionados mediante las solicitaciones el ctricas t rmicas me c nicas y ambientales Los ensayos permiten deducir que las medidas puntuales de las descargas parciales en un devanado no permiten inferir resultados precisos por lo tanto el mantenimiento preventivo en los devanados de las grandes m quinas sincr nicas cobra validez con el segui miento de la evoluci n de las descargas parciales en intervalos de tiempo y con el an lisis de tendencias Estudio de las Descargas Parciales en el Mantenimiento de Sistemas Dado que la tensi n es un factor pre dominante para la activaci n de las descargas parciales las pruebas de des cargas parciales no permiten detectar deterioro mec nico o t rmico del siste ma aislante en las barras localizadas cerca al neut
12. r el aislamiento adecuado entre la tensi n de prueba y el voltaje de la red en caso de falla de la barra se dispone de un transformador de aisla miento de relaci n 220 220 V tipo seco y potencia nominal 24 KVA Sensor de Humedad y Temperatu ra HX94 Para censar cuenta con una pel cula delgada de pol mero de material capacitivo a trav s del cual se censa la humedad relativa tomando lecturas entre 3 y 95 en el caso de la temperatura el sensor cuenta con una delgada pel cula de RTD de 100 Ohm en platino capaz de censar en el rango entre los 0 y los 100 C 32 F 212 F En las se ales de salida pue den leerse corrientes en el orden de 4 a 20 mA o en su defecto voltajes del orden de O a 1 voltio Probetas de Envejecimiento Con el fin de adelantar la investigaci n referen te a los mecanismos de degradaci n del sistema aislante usado pol mero se cuenta con probetas vaciadas con resina epox dica mediante preparaci n de los dos compo nentes que reaccionan por Estudio de las Descargas Parciales en el Mantenimiento de Sistemas termoendurecimiento y que son mezcla dos en la relaci n 2 a 1 Las probetas son curadas durante un periodo de tiempo no inferior a 24 horas tiempo al final del cual la resina ha adquirido consistencia y es sometida a pruebas Para fabricar la probe ta el pol mero se vierte en un molde espe cialmente dise ado con el fin de simular una cavidad gaseosa englobada en el siste ma aisl
13. resistencia superficial o perimetral empleado Despliegues de Amplitudes de Descargas Parciales DADP y contrarrest ndolos con las informaci n recogida a partir de la aplicaci n de las pruebas antes nombradas Revista CIER e A o XIV N 47 Octubre Noviembre Diciembre 2005 Estudio de las Descargas Parciales en el Mantenimiento de Sistemas Los ensayos realizados permitieron entre otras conclusiones e La posibilidad de detectar la degradaci n del aislamiento independien temente del mecanismo de degradaci n a trav s del estudio evolutivo de las DP e El envejecimiento del diel ctrico s lido por alta frecuencia a tempera tura ambiente constituye un m todo eficaz para la evaluaci n de la vida til residual en el mediano plazo El ensayo combinado a 8 KV 800 Hz y 180 C realizado para estimar la vida til residual de un aislamiento s lido constituye el m todo m s efectivo para degradar aceleradamente el aislamiento y estimar su vida til residual e La determinaci n de la temperatura como el mecanismo m s agresivo para los aislamientos similares a los bajo estudio e Corroborar que mediante el empleo de esta t cnica es factible identifi car el tipo de deterioro que posee el aislamiento y la evoluci n del defecto en el tiempo e La importancia de no realizar mediciones de DP sin antes excitar el devanado al menos durante 24 horas con el objetivo de evitar malas interpretaciones en las mediciones debi
14. ro ya que la tensi n est por debajo de la tensi n de ruptura Por lo tanto con este sistema no es posible diagnosticar 100 el devana do Se confirma atrav s dela investigaci n que la temperatura es el mecanismo de degradaci n m s agresivo para los ais lamientos s lidos y que es este par metro el que requiere de mayor atenci n durante la operaci n de los devanados Existe una estrecha relaci n entre la activaci n de las descargas parciales y la medida del factor de potencia y el Tip Up El envejecimiento del diel ctrico s lido por alta frecuencia a temperatura am biente constituye un m todo eficaz para la evaluaci n de la vida til resi dual en el mediano plazo El ensayo combinado a 8 KV 800 Hz y 180 C realizado para estimar la vida til residual de un aislamiento s lido constituye el m todo m s efectivo para degradar aceleradamente el aislamien to y estimar su vida til residual La implementaci n del Laboratorio de descargas parciales se justifica debido al potencial que esta herramienta de diagn stico representa para la estima ci n de la vida til residual de los aisla mientos s lidos existentes en los deva nados de las grandes m quinas rotati vas como tambi n para la evaluaci n de los diferentes tipos de pol meros existentes en el mercado 1 2 3 4 5 6 7 8 Referencias IEEE Recommended Practice for Measurement of Power F
15. su inciden cla en el deterioro y falla de los aislamien tos s lidos empleados en las barras de los generadores 1 y 2 dela central hidroel ctri ca Guatap Las relaciones temporales se reducen a relaciones de frecuencia por lo tanto en teor a es factible pensar en acelerar el proceso de envejecimiento de un aisla 1l 3 Pulse Count Rate pps 2 3 nes miento mediante la aplicaci n de alta fre G GGO 1000 1500 2008 2500 3000 3500 cuencia con el fin de predecir la vida til PD Magnitude mv residual sin necesidad de someter a fre cuencia industrial durante largos per odos Coupler C1 de tiempo las muestras bajo ensayo Los ensayos fueron realizados sobre material homog neo resina epox dica y ee sobre material compuesto barras de gene a rador estos fueron T DE 1000 i Ensayo 1 Pol mero Tensi n 10 Kv 60 aa Hz Temperatura Ambiente 5 soa Ensayo 2 Pol mero Tensi n 8 Kv 800 Figura 8 0 Hz Temperatura Ambiente A ida de a z mplitud de DP con Ensayo 3 Pol mero Tensi n 8 Kv 60 Hz 5 equipo PDA IV E Alta temperatura nto a a En dos Ensayo 4 Pol mero Tensi n 8 Kv 800 dimensiones Hz Alta temperatura Experi b En tres dimensiones mentos a Barras Estat ricas Ensayo 5 Barra Nueva NEC Tensi n 16 Kv 60 Hz Temperatura Am biente Ensayo 6 Barra Nueva NEC Tensi n 8 Kv 800 Hz Temperatura Am biente Ensayo 7 Barra Nueva NEC Tensi n 10 Kv 60 Hz Alta T
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