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Monitorización de descargas parciales por el método online

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Imagen del artículo Monitorización de descargas parciales por el método online

David Bernal

1.  INTRODUCCIÓN

En la actualidad la medida descargas parciales constituye una herramienta eficaz para el diagnóstico de fallos de aislamiento en conductores.

A través de este artículo se plantea la utilización de las Descargas Parciales Online como método para la monitorización de los cables de Alta tensión y de esta forma cumplir las exigencias legales en reglamentación y disponer de un mantenimiento predictivo de estos.

Trasladar los pasos seguidos tras crearse la necesidad de realizar dichos ensayos y destacar la importancia de estos ensayos para disponer de información de elementos tan importantes como son los cables de alta tensión, muchas veces olvidados hasta que repentinamente causan un disparo intempestivo de la línea de alimentación a un servicio u equipo y provocan una parada de actividad.

La importancia de invertir en mantenimiento predictivo como forma de garantizar el negocio de la compañía y minimizar riesgos a las instalaciones y a las personas a la vez de crear una empresa con garantías y prestigio en su entorno y en su área de negocio.

2. BAHÍA DE BIZKAIA GAS

Bahía de Bizkaia Gas (BBG) es la sociedad propietaria de una planta de regasificación de gas natural licuado (GNL) que inicia su actividad en el año 2003, cuyos socios son, Ente Vasco de Energía (EVE), con una participación del 50% y Enagás, con una participación del 50%.

BBG ocupa una superficie aproximada de 150.000m2 en el término municipal de Zierbena, dentro de los terrenos del puerto de Bilbao.

Las instalaciones, inicialmente, estaban compuestas por un pantalán para la recepción de buques metaneros, dos tanques con capacidad para almacenar 150.000 m3 de gas natural licuado (GNL) cada uno, un cargadero de cisternas para el envío de GNL por carretera y los equipos necesarios para la regasificación de 800.000Nm3/h como capacidad nominal. En noviembre de 2014, entra en servicio un tercer tanque de almacenamiento de 150.000m3, con lo que la capacidad total de la planta aumenta a 450.000 m3. En 2008 el pantalán es acondicionado para la recepción de barcos de hasta 270.000m3 (siendo la primera planta del mundo en recibir este tipo de barcos) y en 2017 se termina el proyecto para la recepción de barcos Small Scale (barcos <50.000m3).

Desde el inicio de su actividad en 2003, y hasta abril del 2020, la planta regasificadora de BBG ha recibido en sus instalaciones 726 buques metaneros, ha descargado 92,3 millones de m3 y ha regasificado un total de 611.151 GWh, Siendo en los últimos años la planta con mayor porcentaje de utilización del sistema gasista español.

3. MOTIVO PARA LA NECESIDAD DE REALIZAR DESCARGAS PARCIALES.

Soportado en la guía técnica de aplicación de la ITC-LAT-05, del reglamento eléctrico de alta tensión, se identifican los ensayos que hay que realizar a los cables eléctricos de A.T. de esta forma, se contempla:

  • Periodicidad de dichos ensayos: trianuales
  • Tipos de ensayos a realizar.

Uno de estos, es el de Descargas Parciales; La obligatoriedad de realizar dicho ensayo lo marca cada servicio territorial de industria;

Según lo indicado en R.D. 223/08 y su ITC-LAT-05 del reglamento eléctrico de A.T. y confirmado con la Delegación Territorial de Industria del Gobierno Vasco en Bizkaia, es obligatorio la realización de:

  • Ensayos de Descargas Parciales a los cables aislados de tensión superior a 0,6/1kV y longitud superior de 50 metros
  • Comprobación del aislamiento principal.

La tabla resumen de ensayos y periodicidad que se confirma de aplicación a los cables:

4. MODOS DE COMPROBACIÓN DEL AISLAMIENTO PRINCIPAL.

La comprobación del aislamiento principal de cables con aislamiento seco se puede realizar de dos potenciales formas:

  • Con el cable fuera de servicio con generadores móviles; “Off Line”.
    • Mediante la medida de descargas parciales (DP) en servicio a la tensión de red; “On line”

4.1. “Off-line”

Las técnicas de medida de DP con generadores móviles (generadores resonantes, generadores de baja frecuencia-VLF- y generadores oscilantes de ondas amortiguadas - DAC- conformes a la norma UNE 60060-3,) denominadas medidas fuera de servicio (Off-Line), están descritas en la norma UNE 211006.

En este caso la tensión aplicada puede ser incrementada de forma progresiva hasta la tensión de ensayo. La tensión de ensayo, que será al menos la de servicio, podría alcanzar un valor superior, pero en ningún caso por encima del 80% de la tensión de ensayo aplicada en la puesta en servicio.

Con el fin de efectuar medidas eficaces de DP en entornos de alto nivel de ruido eléctrico, la relación señal/ruido en la banda de frecuencias de medida debe ser lo mayor posible, lo cual se produce normalmente para frecuencias superiores a 1 MHz.

4.2. “On-line”

La monitorización continua de DP podrá utilizarse para la comprobación permanente del estado del aislamiento de cables aislados.

En este caso se trata de poder monitorizar, mientras el cable está en servicio, valores de descargas que son registrados y analizados.

De esta forma, no se tiene que sacar el cable fuera de servicio y solo en caso de detectar valores “fuera de Rango” se procedería a realizar ensayos similares a los del punto 4.1 cara a determinar posible punto de fallo.

4.3. Resultados

El sistema de cable de aislamiento seco habrá superado el ensayo si no se detectan DP atribuibles a defectos localizados.

En caso de que se detecten señales de DP atribuibles a defectos localizados, deberá determinarse su ubicación. La medida de la tangente de pérdidas se podrá utilizar de forma complementaria a la medida de DP para conocer el estado general del cable en los cables en servicio, aunque con esta técnica no posible localizar la zona del cable cuyo aislamiento está degradado. No será necesario reparar el defecto del cable si es posible asegurar que las consecuencias derivadas de un fallo no ponen en peligro ni a bienes ni a personas, no provocan una interrupción del suministro, ni se pierde la condición de fiabilidad n-1 si esta estuviera establecida previamente. Tras la reparación deberá efectuarse una nueva medida del estado del aislamiento para asegurar la correcta reparación del cable.

5. ENSAYO DE DP ON LINE

Analizada la situación de BBG, los requisitos de Industria y las posibles opciones, con la colaboración de la empresa Asprel Ingeniería, se plantea la posibilidad de disponer de un sistema de control/ verificación periódica.

De esta forma, Asprel, presenta a BBG un sistema de DP On line que de una forma poco invasiva y segura logra realizar el análisis de Descargas Parciales.

Ello es posible mediante la instalación de unos sensores específicos y cuyo registro, sin interferir en el normal funcionamiento de los equipos, permite realizar la medida, y en última instancia, disponer de una imagen de la condición del conductor (del estado de este en cuanto a su aislamiento)

Dicho sistema monitoriza y almacena las posibles DP que podrían producirse con el cable en servicio y posteriormente se analizan los resultados obtenidos. Todo dando un resultado, de estos ensayos, muy útiles para identificar el estado de los conductores de nuestra instalación.

Esta propuesta es llevada a cabo por el personal técnico de BBG. Permite, dicha solución /planteamiento, un modelo de funcionamiento y trabajo que habilita:

  • Dar cumplimiento a los requisitos obligatorios que se indica cumplir en el REAT
  • Mantener el estricto cumplimiento de las normas y requisitos legales que Bahía de Bizkaia Gas requiere.
  • Poder cumplir con los requisitos de revisiones periódicas y su reporte a Industria Gobierno Vasco
  • Disponer, dentro de la política de Innovación, de un sistema de monitorización de DP On line, algo nuevo hasta el momento.
  • Presentar a la Dirección General y a los socios una solución real a un “problema” que presentaba una compleja solución, minimizando el impacto en la disponibilidad de la instalación.

Los anteriores aspectos habilitaron el poder incluir en los objetivos de Mantenimiento del año 2018, el suministro, instalación y puesta en Servicio de este sistema.

Con ello se inició el proyecto de Instalación de sensores para la monitorización de descargas parciales On line en líneas de AT. Adicionalmente, se incorpora su implantación dentro del plan de mantenimiento de BBG, en la parte de “Mantenimiento predictivo eléctrico de las líneas eléctricas de BBG”.

6. COMPARACIÓN. DP ONLINE VS DP OFF LINE.

Los ensayos DP On line presentan importantes ventajas frente a las DP Off line; Como se ve en la tabla, por ejemplo, al realizar las pruebas con el cable en servicio y de una forma no intrusiva tras tener la instalación preparada para ello, pero también alguna desventaja.

A continuación, se explican las diferentes ventajas y desventajas:

  • Las Principales ventajas son:
    • No necesita descargo del cable, Una vez la instalación está preparada para el ensayo, este se realiza con el cable en servicio, pudiéndose programar el inicio de los ensayos sin tener que poner en descargo la instalación en ningún momento. De esta forma la realización de los trabajos es programable de una forma mucho más sencilla y segura al no tener que manipular en ningún momento la instalación.
    • Análisis del cable en carga, el cable se analiza en condiciones reales de servicio. No es necesario la parada de servicios o instalaciones, con el consiguiente ahorro económico.
    • Hace más eficiente las planificaciones del diagnóstico Off line. El poder realizar un diagnóstico On line, facilita conocer el estado del conductor y programar si fuese necesario otro tipo de intervenciones. Es decir, nos permite adelantarnos a posibles situaciones de fallo o riesgo para las personas e instalaciones, y programar el mantenimiento.
  • Las principales desventajas son:
    • Requiere una inversión inicial para adaptar la instalación, que en esta fase debe de ser puesta fuera de servicio para realizar los trabajos.
    • La ubicación de un posible defecto es difícil y requiere de un ensayo de DP Off line posterior.

7. MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES.

Identificado el origen / necesidad, analizadas las opciones y planteado los sistemas y requisitos necesarios, describiremos como se lleva a cabo dicha medida.

El principio de medición de Descargas Parciales se basa en que cuando se produce una Descarga Parcial (DP) en un cable habrá un impulso de alta frecuencia a lo largo del cable hacia los dos extremos. Es, por tanto, el objetivo, intentar “capturar” dicho valor, cuantificarlo y analizarlo (número veces, amplitud del defecto…)

Para ello se desarrolla un procedimiento que consiste en efectuar capturas sincronizadas y periódicas de las potenciales Descargas Parciales a través de sensores y unidades de medida dispuestas en uno de los extremos de la línea a analizar.

Una vez adquirida, tal y como se indicaba, esas señales pueden incluir “ruido”.

Ese ruido superpuesto se intenta eliminar mediante un filtrado digital.

El equipo utilizado LPD Monitor mide esos impulsos de alta frecuencia mediante sensores Inductivos acoplados por campo magnético HFCT (Hight Frecuency Current Transformer) y sensores capacitivos acoplados por campo eléctrico TEV (transient Earth Voltage). Los mismo fueron instalados correctamente en uno de los extremos del cable.

En ambos tipos de dispositivos las frecuencias de corte de los sensores permiten la reproducción de los pulsos de Descargas Parciales, y además tienen la suficiente atenuación a la frecuencia de energización para el equipo de medida no resulte dañado o saturado.

Los sensores inductivos detectan HFCT detectan los impulsos de alta frecuencia (100 kHz-20MHz) que se producen en la línea y los sensores capacitivos TEV son sensores de muy alta frecuencia (1 MHz- 50 MHz) que detectaran los impulsos de muy alta frecuencia, que no han sufrido atenuación a lo largo del cable, correspondiente a las DP “locales”, en nuestro caso en las celdas de las subestaciones.

7.1. Instalación de sensores en celdas de Alta Tensión.

Para este alcance y tras la experiencia adquirida en el recorrido del proyecto, se opta por trabajar / colaborar con Asprel Ingeniería y contar con la participación y visto bueno de la solución por parte de la Delegación de Industria.

En ello, se les presenta la solución, componentes, principio funcionamiento del sistema, formato registros para poder contar con su conformidad antes de implantarlo.

Con las diferentes conversaciones, se opta por la instalación de sensores fijos en nuestros cables de 6kV y más de 50 metros de longitud. Para realizar como parte del mantenimiento predictivo de la instalación la monitorización de DP On Line y cumplir con lo estipulado por el Reglamento de A.T. en lo concerniente a ensayos a realizar en las Inspecciones periódicas.

Se instalan un total de 69 sensores de la marca Megger modelo HFFCT 20, en 31 líneas de 6 kV. La instalación consiste en un sensor situado en un extremo del cable lado celda sobre la puesta a tierra del fleje del cable, un prolongador de cable coaxial y un conector hembra fijo BNC situado en la zona de maniobra eléctrica de las celdas de las subestaciones. Para realizar la instalación de los sensores es necesario realizar el descargo de la posición sobre la que se trabaja, ya que es necesario soltar la maya de puesta a tierra del conductor y acceder a la zona de salida de la celda, tender el cable coaxial a través de la celda hasta la zona de maniobra de esta, e instalar el conector BNC para poder disponer del punto de registro en la posición.

Sensor HFFCT utilizado.
Conector BNC en zona de maniobra celda.
Cable coaxial y conector BNC sensor
Instalación de sensores fijos

8. INVERSIÓN

La monitorización de DP On line supone una importante inversión tanto en la instalación de los sensores y puntos de toma de lecturas como en el propio ensayo y emisión del informe, ya que nuestro caso no disponemos del equipo de registro en propiedad y debemos contratar dichos servicios.

El coste que supone realizar la monitorización de las líneas se compone de 2 factores:

  • Inversión inicial:
    • Adquisición de sensores
    • Instalación
    • Formación
    • Pruebas y puesta en marcha
    • Gestión cambio
  • Seguimiento y monitorización
    • Adecuación Plan Mantenimiento
    • Desarrollo plan predictivo
    • Realización / planificación de rutas
    • Análisis / seguimiento resultados

9. ENSAYOS REALIZADOS.

Se han realizado ensayos en 31 líneas preparadas con sensores, durante los años 2018, 2019 y 2020. Durante los años 2018 y 2020 en un total de 29 líneas y durante el mantenimiento predictivo del año 2019 en las 31. Esto se debe a que dos equipos de planta se encuentran en un modo “hibernación” por motivos productivos.

A continuación, se adjunta tabla resumen de resultados obtenido de los ensayos:

Al analizar los resultados de la monitorización de las líneas, se debe de prestar especial atención a los colores de las barras (vistas del diagrama de barras) y celdas de datos (vista de tabla). El color muestra la criticidad de la medida de Descargas Parciales y está basado en el siguiente esquema de color:

Como regla general, el grado de evaluación de DP se deberá analizar de forma conjunta, valores pico, actividad y repeticiones para concretar la evaluación del estado del cable.

Además del grado de criticidad, el carácter de la tendencia deberá de tenerse en consideración, es decir un registro de picos esporádicos o intermitentes sin ninguna periodicidad no son tan peligrosos como una curva en elevación continua.

Si se observa una regularidad continua y repetitiva en el patrón de tendencia, se intentará encontrar las razones para explicarlas. Debería de ser la tendencia del ciclo de carga, humedad del ambiente, interferencias por otras líneas, las que explicaran las variaciones. Si no es así sospecharemos de problemas en la línea.

9.1 Resultados obtenidos

Los resultados obtenidos en los ensayos han resultado favorables en todos los casos ensayados en nuestra instalación, y dependiendo de los valores obtenidos en estos se marca una criticidad, que nos indican el periodo en el que debemos de volver a realizar el ensayo. En nuestro caso, está marcado en el plan de mantenimiento de la instalación, que sea cual sea el resultado obtenido dentro del parámetro “favorable” el predictivo se realizara anualmente a todas las líneas. Si apareciese alguna línea con un resultado no favorable, se determinaría en ese momento el modo de proceder, siendo el más recomendable el realizar un ensayo de DP Off line.

A continuación, se muestran los resultados del predictivo de la línea de alimentación en 6KV del motor de una Bomba de Agua de mar GA-201 A, durante el año 2020, como ejemplo:

La línea de “Salida motor GA 201 A”, ha sido monitorizada durante el periodo 2018-2020, siendo los resultados los mostrados en la siguiente tabla:

De los resultados mostrados en la tabla se observa que, en la monitorización de DP del año 2018, los valores son superiores a los de los años 2019 y 2020, por lo tanto, se puede considerar la monitorización de Descargas Parciales en la línea de CRITICIDAD BAJA, nivel Amarillo, (Alguna preocupación según tabla), por lo cual se puede recomendar la realización de ensayo en el plazo de 3 años.

Por todo lo anterior se puede considerar el resultado de como Favorable, teniendo siempre en cuenta que la línea se encuentra protegida en cabecera de su subestación de protecciones eléctricas, con lo cual nos aseguramos de que un posible fallo en esta no causaría daños a personas ni bienes.

10. MONITORIZACIÓN DP COMO PREDICTIVO

El mantenimiento predictivo, o mantenimiento basado en la condición (CBM, Condition Based Monitoring), es el conjunto de actividades de seguimiento y diagnóstico continuo de un sistema, de tal forma que permite identificar el futuro de fallo del equipo o componente con la suficiente antelación, como para planificar una actuación correctora, ya sea reparar o sustituir un componente o retirar el equipo o máquina de servicio.

Gracias al mantenimiento predictivo, se minimiza el tiempo que la máquina permanece inactiva y se maximiza su tiempo de vida. En el caso de los cables, el mantenimiento predictivo es importante porque:

  • Permite evitar someter a sobreesfuerzos puntuales a el conductor cuando la demanda energética o las condiciones de funcionamiento así lo requieran
  • Permite alargar la vida del cable ajustando la carga de trabajo a su estado
  • Permite planificar con la suficiente antelación el mantenimiento o la sustitución del cable dañado, reduciendo de forma significativa los elevados costes económicos y sociales que puede suponer una retirada de servicio no prevista o un fallo inesperado.

El mantenimiento predictivo se basa en el hecho de que la mayoría de los fallos se producen lentamente y en que previamente al fallo se muestran indicios evidentes que pueden ser monitorizados.

Para realizar el mantenimiento predictivo de un cable o conductor es necesario identificar un fenómeno físico medible y parametrizable, cuyo registro temporal esté asociado con el desgaste o estado de este en condiciones operativas. A tal efecto, se definen y gestionan valores de pre-alarma y de actuación de todos aquellos parámetros que se considera necesarios medir y gestionar.

En el caso de los cables, su tiempo de vida viene asociado al envejecimiento de su sistema aislante. El aumento de la actividad de las DP es un parámetro que nos indica el estado del conductor y el estudio de esta evolución nos indica el nivel de degradación y velocidad con la que un conductor se deteriora. De esta forma podemos tener una imagen del estado de nuestros cables de AT y tomar con la debida antelación decisiones a la hora de sustituir los elementos dañados de nuestra instalación, también y más importante que lo anterior es saber el estado en el tiempo de estos.

11. CONCLUSIONES

Las principales conclusiones a las que se pretende dar cierre a este articulo son:

  • El ensayo de DP On line es obligatorio en la Comunidad Autónoma del País Vasco,
  • En la misma, según indica la delegación territorial de industria de Vizcaya, se especifican las pruebas a realizar durante la inspección periódica de cables, indicada en R.D. 223/08 y su ITC-LAT-05 del reglamento eléctrico de A.T.
  • En este caso, son ensayos de descargas parciales para poder confirmar / garantizar situación del asilamiento del cable.
  • Con ello, se opta por el sistema de Descargas parciales “On-line”. Ello permite /habilita cumplir estrictamente con la normativa vigente, según las bases de BBG.
  • Para ello, en la instalación, se han dispuesto sensores y puntos de toma de registro (31 posiciones de líneas de AT).
  • La instalación queda preparada para realizar los ensayos de DP On line de forma rápida, segura y cómoda.
  • Adicionalmente, Bahía de Bizkaia Gas, dispone de un mantenimiento Predictivo basado en el ensayo de las líneas de AT mediante el método de DP On líne.
  • Este plan de trabajo / mantenimiento se ha estado realizando durante los últimos 3 años con unos resultados, hasta el momento, favorables de las líneas ensayadas.
  • Ello ha determinada la correcta condición de los cables, dar cumplimiento al requisito legal, garantizar la instalación y no incurrir en paradas del servicio.
  • Se trata de un sistema nuevo y pionero tanto en su región como en el ámbito del negocio (plantas de Regasificación). Ello tanto en el sistema utilizado como en la incorporación de este en el mantenimiento Preventivo, teniendo incluido dentro de sus planes de mantenimiento Predictivo los cables de AT.
  • Se ha podido constatar que el coste y la dificultad de los ensayos es menor en las pruebas de DP On line frente a las DP Off líne, teniendo en cuenta la sencillez del ensayo una vez la instalación esté preparada.
  • Las DP On Line es un método valido y fiable para conocer en el tiempo el estado y la posible degradación de las líneas de AT.
  • El coste de la instalación de sensores y puntos de toma de registro es elevado, pero se debería de sopesar el cumplimento de la normativa vigente y los costes de fallo de una línea de AT de la instalación.

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