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El Noticiero de ENERO 2016 | EDICIÓN DE MARCOMM VALLEY FORGE

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L as mediciones de descargas parciales (PD, en inglés) se usan cada vez más como un método de diagnóstico confiable y no destructivo para detectar puntos débiles en el aislamiento de

cables subterráneos. Las mediciones de descargas parciales también se usan en forma rutinaria en laboratorios para la prueba de rollos de cable antes de su puesta en servicio y en el campo para verificar la calidad de la instalación.

Habitualmente, en muchas normas de pruebas de fábrica se requiere utilizar una fuente de alimentación de alta tensión de 50/60 Hz al realizar pruebas de laboratorio. Sin embargo, el uso de una alimentación de 50/60 Hz resulta impráctico para pruebas de campo debido a los altos requerimientos de generación de energía.

El factor más importante a considerar cuando se selecciona una frecuencia de prueba alternativa es que las características de descargas parciales en la nueva frecuencia deben ser similares a las de 50/60 Hz, pues de lo contrario los resultados no se pueden interpretar en forma confiable. Esto es especialmente cierto cuando se mide la tensión inicial de descargas parciales (PDIV, en inglés), la tensión en la cual se producen por primera vez.

La tensión inicial de descargas parciales es uno de los parámetros más importantes usados para caracterizar las descargas parciales. Si la medición de PDIV a la nueva frecuencia es más alta que a 50/60 Hz se pueden crear falsos negativos, haciendo que no aparezcan como problemas críticos cuando en realidad pueden serlo a la tensión de operación.

Muchas publicaciones de investigación se han ocupado de la comparabilidad de las características de descargas parciales a varias frecuencias de prueba y con varias formas de onda. Este artículo provee una visión general de las formas de onda de prueba más comúnmente usadas.

Sinusoidal de 0,1 Hz

La forma de onda sinusoidal de muy baja frecuencia (VLF, en inglés) se introdujo para pruebas de descargas parciales en la década de los años 90. En el documento académico “Applied Voltage Frequency Dependence of Partial Discharges in Electrical Trees” (Dependencia de la arborescencia eléctrica de descargas parciales en función de la frecuencia del voltaje

aplicado), los investigadores informaron que las descargas parciales dependen de la frecuencia y que disminuyen para frecuencias bajas. Por lo tanto es difícil medir descargas parciales a bajas frecuencias tales como

0,1 Hz.

Un documento de investigación de Megger intitulado “Influence of the Test Voltage Wave Shape on the PD Characteristics of Typical Defects in Medium-Voltage Cable Accessories” (influencia de la forma de onda del voltaje de prueba en las características de PD de defectos típicos en accesorios de cables

de media tensión) mostró una diferencia mayor que 300% cuando se midieron descargas entre fases a 50 Hz, comparado con 0,1 Hz. Además, los autores del documento técnico realizaron una extensiva investigación en la literatura de publicaciones previas en las que se comparan mediciones a 50 y 0,1 Hz.

Siete documentos técnicos informaron de una diferencia entre dichos valores que variaban entre el 10% y el 250%.

Esta enorme discrepancia se debe a las características de la descarga entre fases. La mayoría de las descargas entre fases en sistemas de cables se producen en las terminaciones y en los empalmes, y son muy dependientes del gradiente de la tensión. Un cambio en el gradiente de la tensión podría hacer que la descarga a 0,1 Hz fuera 500 veces menor que a 50 Hz, lo que es un factor crítico a considerar cuando se hacen mediciones con una tensión de prueba sinusoidal de VLF.

Henning OetjenGerente de producción

CABLES SUBTERRÁNEOS: Prevención de Fallas con Pruebas de Descargas Parciales

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Corriente alterna amortiguada

En los últimos 10 años, la técnica de corriente alterna amortiguada (DAC) se ha establecido como un método muy efectivo para la prueba de descargas parciales. Este método es una de las formas de onda enumeradas para la prueba de PD en IEEE 400.3: “Guide for Partial Discharge Testing of Shielded Power Cable Systems in a Field Environment”. (Guía para la prueba de descargas parciales de sistemas de cables de potencia blindados en un entorno de campo). Las empresas de servicio eléctricos han recolectado numerosos ejemplos de datos de pruebas de campo exitosas que muestran una correlación muy fuerte entre los resultados de 50/60 Hz y los de DAC.

Esta correlación alentó un amplio estudio comparativo de sistemas disponibles comercialmente de diagnóstico de cables de media tensión por parte del Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano Giacinto Motta (CESI), una empresa italiana que provee servicios de pruebas y certificación, consultoría en temas de energía, y consultoría general de ingeniería y tecnología para el sector de la energía a nivel mundial.

La tabla 1 muestra las diferentes formas de tensión comparadas en el estudio. Las pruebas se realizaron sobre cinco cables. Se seleccionaron tres parámetros como criterios de comparación: la tensión inicial de las descargas parciales, la ubicación de los focos de descargas parciales y la amplitud de los pulsos de descargas parciales. La figura 1 muestra un resumen de los resultados. En general, los métodos de corriente alterna amortiguada resultaron muy similares y los más comparables con las pruebas a 50 Hz, en tanto que la sinusoide de 0,1 Hz mostró las mayores desviaciones.

Sistema Fuente

A Tensión sinusoidal a frecuencia de red

B Tensión sinusoidal a muy baja frecuencia (0.1 Hz)

C Onda oscilante dentro de frecuencia de red y baja amortiguación (DAC)

D Onda oscilante con frecuencia fija y alta amortiguación

Tabla 1: Formas de tensión de prueba usadas en un estudio realizado por la compañía de ingeniería CESI

Figura 1: Comparación del PDIV a 50 Hz con cada sistema de prueba. En general, el método DAC (verde) resultó más comparable con pruebas a 50/60 Hz y la sinusoidal de 0.1 Hz (roja) mostró la mayor desviación

Coseno rectangular de 0,1 Hz

Los primeros sistemas de baja frecuencia usaban una onda de coseno rectangular (CR, en inglés), que resultó muy eficaz y es muy usada todavía porque el intervalo de tiempo entre cambios de polaridad replica al de una onda de 50/60 Hz. La figura 2 muestra la forma característica de la onda CR de 0,1 Hz comparada con la corriente alterna amortiguada y la onda sinusoidal de 0,1 Hz.

En 2003, el autor y científico alemán Daniel Pepper realizó un análisis a fondo para evaluar los méritos de usar una forma de tensión triangular y una forma de tensión coseno rectangular de muy baja frecuencia como fuentes de tensión para pruebas de descargas parciales en cables de potencia de dieléctrico sólido. Ambas formas de onda mostraron buen desempeño para este propósito. Sin embargo, el coseno rectangular mostró niveles más altos de descargas parciales, especialmente para descargas deslizantes.

Figura 2: Comparación del DAC, la onda sinusoidal de 0.1 Hz y la característica de la onda CR de 0.1 Hz

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Generación de formas de onda

Tensión en coseno rectangular de VLF

La tensión en coseno rectangular de VLF se genera en un circuito como el que se muestra en la figura 3. Una de las más significativas ventajas de la tecnología de CR es la capacidad de almacenar y recuperar el 90% de la energía desde el cable cargado por medio de un inductor. La energía almacenada se usa para cargar el cable con la polaridad opuesta durante el próximo medio ciclo, dentro del mismo intervalo de milisegundo que la frecuencia de operación de 50/60 Hz. Esto permite aplicar cargas de prueba significativamente mayores con potencias de entrada bastante pequeñas en comparación con los sistemas sinusoidales de VLF. Se dispone comercialmente de sistemas de coseno rectangular de VLF con hasta 25 μF y de 20 hasta 80 kVrms.

Figura 3: Diagrama en bloques de una unidad de CR de VLF

Tensión amortiguado de CA

El circuito usado para generar un voltaje amortiguado de CA (DAC, en inglés) es fundamentalmente similar al usado para generar un voltaje coseno rectangular de VLF. La única diferencia es la forma en que funciona el interruptor «S». En el sistema de coseno rectangular de VLF, el interruptor invierte su posición para permitir la inversión de polaridad. En el sistema DAC, este interruptor se cierra luego de permitir que el cable se cargue al voltaje de prueba, creando un circuito resonante amortiguado (fijo). La frecuencia resonante del circuito es una función de la inductancia del inductor, la capacitancia del capacitor auxiliar y la capacitancia del cable bajo prueba.

Ventajas

Las dos principales ventajas de la tecnología de coseno rectangular de muy baja frecuencia son su eficiencia energética debida a su diseño resonante, y el intervalo de tiempo de inversión de polaridad del coseno rectangular de VLF que se aproxima mucho al de 50/60 Hz, con lo que se simula la solicitación eléctrica del aislamiento bajo condiciones de operación. Este cercano ajuste temporal hace de la tecnología un candidato excelente para su uso como fuente de suministro en las pruebas de descargas parciales fuera de línea.

Tabla 2: Resumen de los parámetros de prueba

Las mismas dos características hacen de la tecnología de coseno rectangular de VLF una herramienta muy efectiva para las pruebas de tensión no disruptivo (con o sin monitoreo de descargas parciales), lo que permite la prueba de cables muy largos, o la prueba simultánea de tres fases a 0,1 h Hz. Por contraste, la tecnología de corriente alterna amortiguada no es ideal para las pruebas de tensión no disruptivo porque requiere de una cantidad significativa de ciclos de prueba para generar una solicitación eléctrica equivalente durante el mismo tiempo. Este tiempo más breve de exposición a la solicitación eléctrica a frecuencia de operación normal es precisamente lo que hace de DAC una herramienta perfecta para el diagnóstico no destructivo por descargas parciales.

Aplicaciones

Dadas las ventajas de la forma de onda coseno rectangular de VLF, se evaluó su desempeño como fuente de tensión para pruebas de descargas parciales fuera de línea. En este estudio se midieron la tensión inicial de descargas parciales y los niveles de descargas parciales a la tensión de operación (U0) para cables envejecidos por el servicio de polietileno reticulado (XLPE) y aislados con papel y cubiertos con plomo (PILC) usando los métodos de coseno rectangular de VLF y de DAC. El método de corriente alterna amortiguada se eligió para comparación en lugar de 50/60 Hz porque ya se había establecido en numerosos estudios que DAC muestra una alta correlación con los resultados de 50/60 Hz. La tabla 2 resume los parámetros de prueba para cada una de las tres pruebas.

Parámetro Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3

Tipo de cable de aislamiento

XLPE PILC / XLPE PILC / XLPE

Tensión del equipo 22 kV RMS 11 kV RMS 11 kV RMS

Longitud del cable 1,563 pies (469 m )

2,206 pies (662 m )

5,430 pies (1,629 m)

Año de instalación 1985 1960 1965 / 2004

Edad del cable al momento de prueba

26 años 51 años 46 años

La figura 4 muestra la configuración del equipo de prueba en el sitio para las mediciones de descargas parciales. Como se analizó previamente, tanto la tensión de prueba de DAC como el coseno rectangular de VLF se pueden generar con el mismo circuito, controlando el comportamiento de la conmutación. Las mediciones se realizaron con acoplamiento convencional y sin filtro de ruidos en hardware o en software.

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En síntesis, ambos métodos brindaron valores muy similares de tensión inicial de descargas parciales (PDIV) y de descargas parciales máximas (PDmax) (ver tablas 3, 4 y 5) con fluctuaciones estadísticas aceptables. Ambos métodos permitieron identificar los mismos puntos débiles en los tres cables.

Prueba Fase L1 L2 L3

1Cable XLPE 1,563 pies(469 m)

Tensión de prueba

DAC VLF CR DAC VLF CR DAC VLF CR

PDIV ( kV RMS) 13.2 12.0 10.8 14.0 12.0 12.0

PDMAX (pC)

@ U0

300 620 310 - 125 490

Tabla 3: Comparación del PDIV y PDmax para prueba de DAC y CR de VLF (Primer prueba)


2Cablemixto 2,206 pies (662 m)

Tensión de prueba


PDIV ( kV RMS) 4.2 6.0 4.2 3.0 4.2 3.0

PDMAX (pC)

@ U0

2,350 1,100 600 1,400 2,650 9,300

Tabla 4: Comparación del PDIV y PDmax para prueba de DAC y CR de VLF (Segunda prueba)


3Cablemixto 5,430 pies (1,629 m)

Tensión de prueba


PDIV ( kV RMS) 42.4 6.0 2.4 <3.0 2.4 <3.0

PDMAX (pC)

@ U0

9,500 7,400 6,545 5,500 14,980 50,000

Tabla 5: Comparación del PDIV y PDmax para prueba de DAC y CR de VLF (Tercer prueba)

Los valores de PDmax resultaron en general levemente mayores con coseno rectangular de VLF. La forma de onda coseno rectangular de VLF consiste en una inversión de polaridad de un milisegundo, seguida por un nivel plano de cinco segundos al valor pico de tensión antes del próximo ciclo. Esta fase de meseta probablemente causa una acumulación de cargas en las capas de interfaz del cable, produciendo valores más altos de PDmax. Además, este fenómeno puede explicar por qué el coseno rectangular de VLF permite detectar más fácilmente puntos débiles en cables más largos.

Por último

Las mediciones de descargas parciales usando ondas de prueba coseno rectangular de VLF se compararon con el ampliamente establecido método de corriente alterna amortiguada. Los resultados mostraron que PDIV, PDmax y la ubicación de puntos débiles obtenidos por el método de coseno rectangular de VLF resultaron altamente comparables con los del método DAC. Esto demuestra que la forma de onda coseno rectangular de VLF es una fuente de tensión comparable y conveniente para las pruebas de descargas parciales en el campo. La similitud en el diseño de los circuitos de generación de coseno rectangular de VLF y de DAC significa que es posible que las unidades de coseno rectangular de VLF también generen tensión DAC. La integración de ambas tecnologías ofrece a los usuarios la flexibilidad de una única unidad que puede realizar pruebas de tensión no disruptivo, pruebas con monitoreo de descargas parciales, y diagnóstico no destructivo por descargas parciales con corriente alterna amortiguada.

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Figura 4: Configuración de la prueba de descarga parcial

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