Mantenimiento

Medida de descargas parciales para evaluar el estado del aislamiento de máquinas rotativas

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Imagen del artículo Medida de descargas parciales para evaluar el estado del aislamiento de máquinas rotativas

Victor Lozano Sánchez

OMICRON Technologies España, S.L.

Dipl. Ing. Stefan Böhler

OMICRON electronics, Austria

ABSTRACT

Debido a la rápida velocidad de cambio en los sectores industrial y energético, en ocasiones las máquinas rotativas son forzadas a trabajar en condiciones para las cuales no han sido diseñadas. Este escenario puede provocar paradas no programadas de máquinas clave para la generación de energía o aplicaciones industriales, provocando pérdidas económicas muy importantes. Para prevenir estas situaciones es necesario disponer de métodos fiables que ayuden a estimar la condición del aislamiento eléctrico. Un método muy establecido es la medida de descargas parciales (DP). Las descargas parciales se definen cómo diminutas descargas que se producen en el interior del aislamiento eléctrico. Estas descargas ocurren en puntos débiles del sistema de aislamiento. La medida de DP detecta y cuantifica estas descargas que ocurren en el interior del sistema aislante.

Este artículo explica el método de medida, diferentes posibilidades de medida y la monitorización continua. Se muestran los beneficios de un sistema de monitorización permanente, sus partes más relevantes y los principios de acoplamiento. También se tratan las ventajas y desventajas.

El artículo describe los elementos adicionales que máquina debe disponer para poder llevar a cabo medidas de DP online, así como las posibilidades futuras de monitorización permanente sin necesidad de pararla en ningún momento. Desde el punto de vista económico, es más conveniente comparado con una parada de mantenimiento para llevar a cabo medidas de evaluación, o incluso ante una parada inesperada de la máquina. Es interesante también analizar por qué no solo es importante medir DP en máquinas envejecidas, sino también en nuevas con bajos niveles de DP.

Se explican también las diferencias entre medidas temporales y medidas permanentes. El artículo termina presentando unos casos de estudio donde se pueden ver defectos apreciables por el sistema de monitorización, antes de que se produzca un fallo de la máquina.

1. INTRODUCCIÓN

Las máquinas rotativas son el activo más importante para la producción de energía, así como en las aplicaciones industriales. Los rápidos cambios en los sectores de producción de energía e industrial requieren que las máquinas trabajen en unas condiciones para las cuales no han sido diseñadas. Para evitar paradas no programadas y sus consecuencias financieras es necesario disponer de métodos fiables de análisis de la condición del aislamiento de las máquinas. La medida de descargas parciales (DP) es un método consolidado para evaluar el sistema de aislamiento y es capaz de detectar y localizar los puntos débiles y cuantificarlos dentro del aislamiento.

1.1. ¿Por qué fallan las máquinas eléctricas?

En la siguiente estadística se muestra el origen de los fallos en generadores y se puede apreciar que el 56% corresponde al aislamiento. Gran parte de los fallos en el aislamiento pueden ser detectados por medio de la medida de descargas parciales (DP) con la suficiente antelación como para anticiparse a una situación de riesgo de fallo o parada inesperada.

Figura 1. Estadística de fallos en Hidrogeneradores.
Fuente: Brütsch et al. "Insulation Failure Mechanisms of Power Generators", DEIS July/August 2008

La causa raíz de los fallos de aislamiento viene determinada por los factores TEAM.

Figura 2. Factores TEAM

1.2. Normativa para la medida de descargas parciales

La medida de descargas parciales es descrita en distintas normativas. La norma principal es la IEC 60270, la cual explica los fundamentos de las descargas parciales, como han evolucionado, cómo deben ser medidas, así como los dispositivos a usar. Esta norma es independiente del objeto de prueba.

La norma orientada a máquinas rotativas es la IEC 60034-27-1 e IEC 60034-27-2, medidas   off-line   y   on-line   respectivamente.

Además, la IEEE 1434-2014 se centra en medidas de descargas parciales en máquinas eléctricas AC. Todas las normas hacen referencia a la IEC60270.

1.3. Descargas parciales

Por definición, una descarga parcial, según la IEC60270, es una ruptura dieléctrica localizada de una pequeña porción del sistema de aislamiento, en condiciones de estrés de alta tensión.

En la Figura 3 se muestra el esquema eléctrico de una descarga parcial interna de un sistema de aislamiento. El aislamiento no afectado es representado por dos capacidades CP/2. El punto donde existe actividad de descargas parciales se puede representar con tres condensadores en serie, dos de ellos como 2CS para el aislamiento sólido y uno CF para el lugar exacto donde ocurre la descarga parcial (en este caso representado por una cavidad).

La presencia de descargas parciales en máquinas rotativas a menudo indican problemas mecánicos, como de laminación de capas de cinta, huecos o cavidades dentro del aislamiento y la abrasión de la protección de corona externa en el área de ranura.

Figura 3. Capacidades en un sistema de aislamiento con pequeñas cavidades

El circuito equivalente es mostrado en la Figura 4. Las descargas en la cavidad son realizadas con el interruptor, el cual cierra el circuito a cierto nivel de tensión y descarga el pequeño condensador CF. Estos picos de corriente son mostrados en la Figura 5. Desde un cierto tiempo del periodo en adelante, la tensión en CF no alcanza la tensión de ruptura para que una descarga ocurra. Se puede apreciar que las descargas principalmente aparecen en los cruces por cero. Después del momento de descarga, el interruptor abre de nuevo. Cada descarga produce un pico de corriente muy breve I1(t) que recorre el circuito interno. Desafortunadamente, esta corriente no puede ser medida directamente, porque esto ocurre dentro del sistema de aislamiento.

Figura 4. Circuito equivalente de actividad de descargas parciales

Cuando el interruptor abre, la tensión U1(t) alcanza un nivel concreto que provoca un pico de corriente de recarga que recorre el circuito. Esta corriente de recarga principalmente fluye a través del condensador CP. Una pequeña parte fluye sobre la fuente de tensión, en el caso de una medida off-line, o la alimentación principal. Cuando añadimos un condensador de acoplamiento en paralelo al objeto bajo prueba, una pequeña porción del impulso de corriente de recarga llega a este nuevo condensador y puede ser fácilmente medida con un equipo de prueba.

Figura 5. Picos de corriente de descargas voltajes en CF
Figura 6. Circuito de medida de descargas parciales

El sistema de medida detecta los muy pequeños pulsos de recarga. Estos pulsos de corriente son integrados para calcular la carga de cada pulso registrado.

Figura 7. Pulso de corriente de recarga

La forma más común de visualizar descargas parciales es el diagrama de descarga parcial resuelto en fase (PRPD), el cual es mostrado en la Figura 8. En el ejemplo se pueden ver las tres fases con actividad de descargas parciales.

Cada punto de este diagrama refleja una descarga en el objeto de prueba. Este diagrama incluye mucha información:

  • Los pulsos de descarga son mostrados sobre la tensión de prueba aplicada
  • Todos los puntos forman un patrón típico de actividad de descargas.
  • El nivel de carga de cada pulso es mostrado en el eje Y.
  • El color es equivalente al número de pulsos registrados por el sistema de medida en un cierto periodo de tiempo.
  • El valor total de carga acumulada es mostrada por fase.
Figura 8. Diagrama de descarga parcial resulta en fase

1.4. Separación de eventos y filtrado de ruido

El uso de un sistema de media de DP sensible requiere que las señales no deseadas también sean detectadas por el circuito de medida. Esto puede ocurrir especialmente en ambientes industriales con alta interferencia de electrónica de potencia y maquinaria eléctrica. Además, usualmente más de una fuente de descargas es detectada. Estos fenómenos se superponen en los patrones PRPD y dificultan el análisis de descargas parciales. Una buena solución al problema de las interferencias es el uso de medidas sincronizadas trifásicas (3PARD) por medio de tres canales independientes. De esta forma, una medida de DP es registrada por los tres canales de medida. Señales de distinto tipo y origen tienen diferente acoplamiento entre fases. Esta característica puede ser utilizada para dividir señales provenientes de varias fuentes en distintos agrupamientos de pulsos.

Un análisis similar es posible por medio de la medida multifrecuencia sincronizada (método de medida usando el diagrama de tres frecuencias centrales, 3CFRD). En este caso, una medida de DP es registrada a tres frecuencias diferentes. Señales de distinto tipo y origen presentan distintos espectros en frecuencia. Por medio de una configuración adecuada de los filtros, este método puede ser usado para mostrar distintas fuentes de señales en agrupamientos de pulsos, de forma parecida al método multicanal.

Figura 9. Separación de eventos 3PARD: actividad de DP, interferencias y ruido de fondo.

1.5. Situación actual del Mercado y motivación

En la situación actual, donde las inversiones bajan y las compañías tratan de mantener en funcionamiento las máquinas por más tiempo de para el que fueron diseñadas. El tiempo de inactividad es cada vez más limitado porque significa pérdida de producción y, por lo tanto, económica. Esta situación requiere un cambio en el plan de mantenimiento hacia un mantenimiento basado en la condición. En consecuencia, es vital un buen conocimiento del estado de las máquinas. La medida de descargas parciales es un método probado y ampliamente aceptado para hacer una evaluación fiable del estado del aislamiento de las máquinas rotativas críticas.

La posibilidad de realizar medidas online (con la máquina en condiciones normales de operación) minimiza el tiempo de indisponibilidad de la instalación a la simple instalación de los acopladores capacitivos y la calibración del sistema de medida.

1.6. Monitorización Temporal vs Permanente

Las medidas de DP en máquinas rotativas pueden ser realizadas de forma temporal o permanente. El principio de medida es el mismo. Unos condensadores de acoplamiento y una caja de conexiones son instaladas en la máquina. El Sistema de monitorización temporal se conecta a la caja de conexiones (terminal box) y las medidas son registradas por un tiempo determinado, por ejemplo: semanas o meses. Durante este periodo, los datos pueden ser analizados. En cambio, el sistema de monitorización continua realiza registros permanentemente, según la configuración del usuario. El Sistema puede ser conectado al sistema SCADA para generar alertas o alarmas. Además, otros parámetros de la máquina pueden ser enviados al sistema de monitorización, por ejemplo: temperatura del devanado, humedad, potencia, etc. Todos los parámetros son grabados junto con la actividad de descargas parciales para un completo análisis de la información.

Ambos sistemas tienen ventajas y desventajas.

Con un sistema de monitorización permanente, todas las condiciones de operación son medidas, incluso las condiciones anormales. El registro de toda esta información correlacionada con la actividad de DP es una gran ventaja en este tipo de sistemas. En un sistema de monitorización temporal, un solo equipo de registro es compartido por todas las máquinas de la planta, por lo que el presupuesto se reduce notablemente.

Normalmente, la decisión es tomada en función de la criticidad de cada máquina y el impacto que puede tener su parada en el funcionamiento general de la planta.

El único requisito para poder llevar a cabo medidas online, es la instalación de los condensadores de acoplamiento.

Como los condensadores son los mismos en ambos sistemas, es muy sencillo cambiar de un sistema a otro. También es posible utilizar el histórico de datos de ambos sistemas para analizar la tendencia.

Figura 10. Monitorización temporal de DP con acopladores instalados y un solo equipo de medida

1.7. Visualización de datos y análisis

La norma sobre medida de descargas parciales en máquinas rotativas, no establece criterios de aceptación para todos los bobinados estatóricos. Por lo tanto, la tendencia de las medidas a lo largo de la vida de la máquina es muy importante. Este es el motivo por el cual tener un amplio histórico de datos permite conocer con precisión la tendencia y evolución de las DP, así como planificar mejor las paradas de mantenimiento.

Los datos son visualizados principalmente como una tendencia para así poder ver con facilidad cambios en la actividad de DP.

Figura 11. Histórico de resultados de DP

Cada punto de medida del diagrama de tendencias incluye detallada información recopilada automáticamente por el sistema, el cual es configurado por el usuario previamente.

Figura 12. Visualización de cada punto de medida

Los resultados detallados incluyen los patrones PRPD, el diagrama 3PARD con la separación automática de eventos para profundizar en el análisis.

Además, un algoritmo automático de reconocimiento de patrones puede realizar el análisis y determinar el mecanismo de fallo, así como su localización.

2. CASOS DE ESTUDIO

2.1. Turbo-generator 180 MVA

Un turbogenerador de 180 MVA y 16.5 kV, es equipado con un sistema de monitorización permanente de descargas parciales.

Figura 13. Turbo-generator 180 MVA 16.5 kV

El sistema muestra un desproporcionado incremento de la actividad de DP en la fase W hasta 75nC (valor máximo) en solo dos meses.

También las fases U y V incrementan su valor debido al acoplamiento, no por descargas reales. Se decidió parar la máquina para realizar labores de mantenimiento.

Después de la reparación, los registros de DP muestran un valor alto, efecto normal en devanados nuevos. Tres meses después del mantenimiento, los valores se estabilizan y muestran unos niveles aceptables (2nC). Los patrones muestran pequeñas descargas en micro-vacíos internos, lo cual es normal en aislamientos de cinta de mica.

Figura 14. Tendencia de DP y correspondiente patrón PRPD

2.2. Compresor motor, 14 MVA, 10.5 kV

El motor se encuentra acoplado a un compresor de 14MVA y 10,5kV con una velocidad de 1.000 rpm.

Las medidas DP offline muestran valores altos (sobre 400nC @ 8kV).

Figura 15. Medidas DP mostrando altas descargas a 8 kV

Debido a esos resultados, el motor fue desmontado con el objetivo de realizar una inspección visual.

Durante la inspección se pudo ver una alta cantidad de contaminación (partículas) sobre toda la superficie del motor, incluido el sistema de refrigeración. El aislamiento exterior del devanado rotórico se encontraba severamente dañado.

Figura 16. Contaminación encontrada en la inspección visual

Muy probablemente el daño comenzó con defectos en los aislamientos OCP y EPG, lo cual provocó altos niveles de DP en zona de cabezas de bobina, estas descargas en el aire causaron generación de Ozono O3. La concentración de Ozono provocó degradación del material de aislamiento, y además, el Ozono en combinación con las partículas de aluminio generaron sulfitos. Estos sulfitos fueron distribuidos por todo el motor a través de los sistemas de refrigeración.

3. CONCLUSIONES

Este artículo presenta la tecnología de medida de descargas parciales como análisis de la condición del Sistema de aislamiento de máquinas rotativas. Han sido mostrados los principios de medida para llevar a cabo una evaluación fiable del sistema de aislamiento. Ha sido mostrado también que el método 3PARD es capaz de separar los eventos de DP de los eventos de interferencia externa. El uso práctico del sistema se ha ilustrado por medio de dos casos de estudio reales.

Los sistemas de monitorización de descargas parciales son el complemento ideal, desde el punto de vista eléctrico, a los sistemas de monitorización de vibraciones.

4. BIBLIOGRAFÍA

  1. IEC 60270: „ High-voltage test techniques – Partial discharge measurements”,2015
  2. IEC 60034-27-1: „Off-line partial dis-charge measurements on the winding insulation of rotating electrical machines”, 2017
  3. [3]IEC 60034-27-2: „ On-line partial dis-charge measurements on the stator winding insulation of rotating electrical machines”, 2012
  4. W. Koltunowicz, R. Plath: “Synchronous Multichannel PD Measurements”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 15, No. 6; Dec. 2008.

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