DP en Maquinas Rotativas Para uso exclusivamente interno / Copyright © Siemens AG 2007. All rights reserved. Diagnóstico y Mantenimiento (Condiciones basadas en: CBM) - Mejores condiciones de trabajo para un componente o un sistema Peligro mínimo y constante (riesgo) - Conocimiento del inicio en el proceso de envejecimiento (3ra parte de la curva) Condición base (y no basada en el tiempo) Mantenimiento Eficiencia, son necesarias técnicas de diagnóstico preventivas Riesgos de Falla: defectos y envejecimiento Riesgo Envejecimiento: Prevenidas por Mantenimiento Fallas tempranas: Prevenidas por Control de Calidad Riesgos de Operación: Aumento índice de falla Fallas inesperadas: Inevitable Operación apropiada Tiempo La función del Diagnóstico • • El diagnóstico permite la evaluación de estado de los componentes/aparatos El diagnóstico permite reducir la incertidumbre de falla. o Optimización de los procesos de Mantenimiento CBM o Maximización de la disponibilidad de los componentes del sistema. Diagnóstico Objetivo: deducir el estado del sistema adecuadamente y conocer su condición por medio de las mediciones (Marcadores). Lo ideal: La estimación de Vida útil Detener la realización del diagnóstico cuando las condiciones se aproximen a un determinado umbral. -El umbral debe ser considerado como una zona limitada debido a: El ruido en las condiciones del diagnóstico La incertidumbre acerca de las condiciones límite del elemento ensayado Diagnóstico Marcador de diagnóstico perfecto: Varia linealmente con la edad (previsible) - Marcadores desacertados de diagnóstico: Advertencia demasiado temprano Advertencia demasiado tarde Ruido/ No monótona Diagnostico p p pL pL t t p p pL pL t t QUE ES UNA DESCARGA PARCIAL ? Índice de calidad de la aislación Vida útil Detección puntual de fuentes de DP Ahorro en corrección de fallas por DP Obtención de patrones de DP para analizar posibles causas y corregir procesos de manufactura QUE ES UNA DESCARGA PARCIAL ? Una ionización gaseosa transitoria que se produce en un sistema aislante cuando la tensión eléctrica supera un valor critico. DESCARGAS PARCIALES A medida que se incrementa la tensión, el campo eléctrico es mayor en la cavidad gaseosa que en el dieléctrico alrededor, debido a la baja rigidez del gas. La magnitud del campo depende de la ubicación y de la geometría de la cavidad, cuando ésta se incrementa lo suficiente, provoca la ruptura del gas y la conducción; en este instante el valor del campo eléctrico se acerca a cero. DESCARGAS PARCIALES Estructura de Una Descarga Parcial - Tres tipos básicos generadores de Descargas Parciales: a. b. c. - a Descargas Parciales Internas Cavidad esférica Cavidad Plana (ovalada) Cavidad Plana PD Superficial, d PD Corona, e Enfoque en Descargas Internas b c d e Factor Geométrico Field inside the dielectric: E0Ecavidad=fE0 1e+6 Oblate Prolate 1e+5 K(a/b) 1e+4 Ecavidad=fE0 1e+3 f=Kr 1e+2 1e+1 3 1e+0 1e-1 0.001 K= Factor geométrico Spherical 0.01 0.1 1 10 a/b Cálculos teóricos de Crichton y Pedersen 100 1000 10000 Descargas Parciales - Así, las cavidades son: Caracterizado (generalmente) por un campo mas grande que el campo en el interior del dieléctrico (f1, siempre) Bajo el efecto de la fuerza dieléctrica - Las descargas pueden ocurrir en la superficie de la cavidad sin romper por completo el aislamiento. - Esta es la razón de existir de una Descarga Parcial Condiciones para la existencia de Descargas Parciales Las Descargas Parciales pueden ocurrir por: Campo eléctrico local > PD Inicio de campo (Einicio) o PDIV (PD inicio de tensión) Después de que comienza un electrón esta disponible (Retraso de tiempo estático) - Energía - Electrón Libre - Medio / Gaseoso PROCESO de DP Anodo, + Un fotón choca con una molécula de gas en el vacío Si la energía del foton es muy grande, se genera un par de Ion+/ElectrónSi el campo generado es lo suficientemente grande (fE0>Einception), el electrón puede accionar una avalancha de electrones (PD) Ion Photon Electron libre Catodo, Anodo, + E0 Catodo, - PROCESO de DP La Descarga Parcial transfiere: Electrones a la superficie de la cavidad que actúan como ánodo Iones positivos a la superficie de la cavidad que actúan como cátodos Esta distribución de cargas genera una carga local Eq El campo local es de signo opuesto debido a la fuente externa, fE0. Anodo, + E0 Eq fE0 Catodo, - PROCESO de DP La DP se detiene cuando el campo interno iguala el campo residual. Así, Eq es suficientemente grande para detener la avalancha: Ei=fE0-Eq=Eres Ei: campo interno (suma del campo externo e interno) Eres: campo residual La cantidad de carga transferida por la PD es: k * Eq = qPD EiEres fE0 Eq DESCARGAS PARCIALES Carga Aparente Es aquella carga que si es inyectada dentro de un tiempo muy corto entre los terminales de la muestra en un circuito específico, proporcionará la misma lectura en el instrumento de medición como el impulso de corriente de DP. Std. IEC 600270. - 3.3.1 Qapp iind (t )dt DESCARGAS PARCIALES Carga Aparente La medición de la descarga parcial es el resultado del cambio en la carga aparente sobre los electrodos, como resultado del transitorio en la distribución de campo eléctrico causado por la DP DESCARGAS PARCIALES Carga Aparente La unidad de carga aparente esta expresada en picoCoulomb (pC) La carga aparente no es igual a la cantidad de carga localizada en el lugar de la descarga, debido a que no puede ser medida directamente DESCARGAS PARCIALES Propagación La DP induce un pulso de alta frecuencia en el cable, el cual se inicia donde ocurre la descarga. La tensión en un cavidad colapsa en el rango de nanosegundos (10-9) DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia Sistemas de Medición para la Carga Aparente Instrumentos de DP de Banda Ancha VALORES RECOMENDADOS 30 kHz f 1 100 kHz f 2 500 kHz 100 kHz f 400 kHz DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia Sistemas de Medición para la Carga Aparente Instrumentos de DP de Banda Angosta VALORES RECOMENDADOS 9 kHz f 30 kHz 50 kHz f m 100 kHz DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia 1. La pregunta para realizar la medición es: Que tipo de filtro se debe usar? 2. Normalmente, utilizamos un filtro pasa-banda. De paso alto, para eliminar los ruidos de los armónicos en al señal de alta tensión De paso bajo, para llevar a cabo una cuasi-integración de la señal PD. 3. La alta frecuencia de corte es pequeña, por lo que, (Después de 1-2 µs, la duración tica del pulso PD es inferior a 1 µs) La salida del filtro es dominada por la respuesta natural. DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia 1. Tenemos dos tipos básicos de filtros: 2. Sistema banda ancha De acuerdo con IEC 60270, los sistemas de mediciones de PD se definen de banda ancha si su ancho de banda es superior a 100kHz. Requerimientos de la IEC 60270 : Limite de frecuencia bajo 10 kHz hasta unos cientos de kHz Anchos típicos de banda entre 100 kHz y 1 MHz. 3. Sistemas de banda estrecha Ancho de banda de 9 kHz a 30 kHz con una frecuencia central ajustable en una rango amplio de hasta 1 MHz. DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia Alternativamente, se pueden utilizar en los sistemas ultra-banda ancha UWB. El procedimiento es: Al aplicar las Descargas Parciales a la muestra los pulsos deben tener un ancho de banda y una velocidad de muestreo suficientes. Realizar la medición de carga aparente por software de simulación utilizando las herramientas cuasi-integradoras de funciones de transferencia DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia La UWB permite separar las diferentes actividades a realizar (incluido la exclusión de ruido) sobre la forma de la base del pulso Las UWB son afectadas en mayor medida por la atenuación y la dispersión (los componentes de alta frecuencia son atenuados y distorsionados por parámetros distribuidos en el sistema) particularmente en distancias largas las UWB pueden perder sensibilidad En sistemas de alta sensibilidad (p.e. capacitores de acoplamiento y taps) las UWB pueden detectar señales emitidas que poseen mucho ruido, si se detectan (Las UWB tiene mayor sensibilidad). DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia Requerimientos para las Mediciones con Instrumentos de DP Digitales 1. 2. Visualizar la magnitud mas amplia de DP Respuesta al tren de impulso • Pueden evaluar o registrar: a. Carga Aparente en el instante t b. Valor instantáneo de la tensión c. Angulo de fase de ocurrencia de impulso DESCARGAS PARCIALES Std. IEC 600270 – 2000 Técnica de Ensayo en Alta Tensión, Medición de Descargas Parciales DESCARGAS PARCIALES Banda de Frecuencia DESCARGAS PARCIALES Degradación DIAGNÓSTICO DE LA DEGRADACIÓN Micro-cavidades Humedad Esfuerzos eléctricos (espacios de carga) Temperatura Manipulación / Instalación Vibración Compresión Contaminación Doblado Cristalización Arborescencia (líquida – eléctrica) DESCARGA PARCIAL Reacciones electroquímicas Ingreso de Agua Daño mecánico Corrosión Reducción de la rigidez dieléctrica del aislamiento Incremento de la corriente de fuga Incremento de la energía descargada en cavidades Pérdida de integridad estructural Degradación por humedad DESCARGAS PARCIALES Diagnóstico Cables. Localización e identificación de defectos en cables y accesorios para cables, alerta antes de la ruptura. Switchboards. Determinación de las fallas debido a malas conexiones y aisladores en mal estado. Maquinas eléctricas: Diagnóstico de los sistemas de aislamiento de Transformadores, Motores y Generadores. Sistemas aislados de gas (SF6) Identificación de problemas de aislamiento en GIS DESCARGAS PARCIALES Diagnóstico Las descargas parciales pueden ser medidas por métodos eléctricos, acústicos, ópticos y químicos. Los métodos eléctricos son ampliamente utilizados, y diferentes tipos de equipos son encontrados actualmente en el mercado. DESCARGAS PARCIALES Transcurrido un tiempo, las distribuciones de la carga tienden a desaparecer debido a: Ramificación dentro del dieléctrico Recombinación (migración a la superficie de la cavidad) El campo Local Decrece Las cargas dejadas por la DP pueden ser una fuente para el aumento de electrones La magnitud de una descarga parcial depende de la carga almacenada en la superficie de la cavidad Esta cantidad es la memoria del proceso de avalancha DESCARGAS PARCIALES Magnitud PD Einception PD Otra PD podria ocurrir aqui Naranja: Campo Externo(*f) Amarillo: Campo interno Marrón: Campo local La Magnitud PD (sin tener en cuenta la carga superficial). DESCARGAS PARCIALES Disminución de los niveles de carga almacenados en la superficie del material. Einception PD !!!! La probabilidad de una Descarga Parcial depende de la carga almacenada en la superficie de la cavidad. Así, disminuye la probabilidad de una Descarga Parcial ( DESCARGAS PARCIALES Einception fE0 Ocurrencia de una PD Ocurrencia de una PD Ocurrencia de una PD Ocurrencia de una PD -Einception DESCARGAS PARCIALES fE0 Einception -Einception DESCARGAS PARCIALES Transcurrido un tiempo, las distribuciones de la carga tienden a desaparecer debido a: Ramificación dentro del dieléctrico Recombinación (migración a la superficie de la cavidad) El campo Local Decrece Las cargas dejadas por la DP pueden ser una fuente para el aumento de electrones La magnitud de una descarga parcial depende de la carga almacenada en la superficie de la cavidad Esta cantidad es la memoria del proceso de avalancha DESCARGAS PARCIALES El proceso: 1. Una Descarga Parcial tiende a cargar la superficie de la cavidad. 2. Después de la Descarga Parcial la carga comienza a deteriorarse con la desintegración de los campos i. Las magnitudes de las Descargas Parciales tienden a aumentar ii. Los acontecimiento de Descargas Parciales tienden a ser más raros En Sintesis: 1. Las Descargas Parciales de magnitudes pequeñas tienden a ser un evento frecuente 2. Las descargas parciales de magnitud mayor tienden a ser un evento raro El número de Descargas Parciales (tasa de repetición) pueden incrementarse dramáticamente si la tensión excede el PDIV. DESCARGAS PARCIALES Los datos adquiridos por las Descargas Parciales siempre están representados en un patrón El patrón de Descargas parciales muestra la densidad de los vértices en el plano fase/magnitud. NQ Normalmente se representan a través de un mapa de color. DESCARGAS PARCIALES Sincronización Con el fin de obtener un patrón de DP correcto, el instrumento utilizado para realizar las mediciones proporciona una señal sincronizada con aplicación de tensión: – Divisor resistivo – Divisor capacitivo – Transformador de tensión – Transformador de corriente DESCARGAS PARCIALES Circuitos de Medición Fuente HV Capacitor de acoplamiento DUT Directo Fuente HV Indirecto Sensor PD Capacitor de Acoplamiento Señal PD Señal PD DUT Sensor PD DESCARGAS PARCIALES Medición Al no poder medir la verdadera resistencia de carga, medimos en lugar la carga aparente de las Descargas Parciales. La relación entre PD y la carga es evidente c/b=D/(dr) El error (sub/estimación) aumenta a medida que el diámetro del aislamiento aumenta. Además El error es mayor si el condensador de acople no es lo suficientemente grande Medios de propagación pueden disminuir aun mas el registro de la carga DESCARGAS PARCIALES Medición 1. Inyecte un pulso de calibración con una cantidad de carga conocida, QCAL, en las terminales del sistema de medición (es decir, entre las terminales HV y LV) 2. Registrar el efecto (pico de tensión) producido por este punto en una red lineal (cuasi, integrador de filtro), VCAL. 3. Registrar el efecto (pico de tensión) producido por un pulso PD de la misma red lineal (cuasi, integrador de filtro), VPD. 4. Para obtener el valor estimado de carga de la descarga parcial aplicamos la siguiente ecuación: qPD=VPD/VCAL*QCAL DESCARGAS PARCIALES Medición / Calibración El objetivo de la calibración en el contexto de la DP es verificar que el sistema de medición será capaz de medir correctamente la magnitud de la DP especificada; y además conseguir que dos sistemas diferentes utilizados para medir la misma muestra indiquen igual resultado. DESCARGAS PARCIALES Medición / Calibración CALIBRACIÓN – Std. IEC 60270-2000 DESCARGAS PARCIALES Medición / Calibración CALIBRACIÓN – Std. IEC 60270-2000 DESCARGAS PARCIALES Medición / Consideraciones 1. Ruido (Radiodifusión, ruido de fondo) 2. Interferencias externas o PD (corona, PD en la superficie externa de los aisladores, PD en conecciones HV, PD en sistemas cercanos) 3. Actividades multiples de PD (diferentes actividades en el equipo de prueba, p.e. descargas en las ranuras + descargas sinusoidales en las maquinas rotativas) 4. Fenómeno de identificación de PD (identificar la naturaleza y las actividades caracteristicas) 5. Evaluación de los riesgos (evaluación de los peligros relacionados con un determinado fenómeno de PD) DESCARGAS PARCIALES Medición / No Olvidar … TENSIÓN DE IGNICIÓN Tensión aplicada a la que las descargas parciales repetitivas se observan primero en el objeto de ensayo, cuando la tensión aplicada al objeto se aumenta gradualmente desde un valor inferior en el cual no se observan DP. Std. IEC 60270-2000 DESCARGAS PARCIALES Medición / No Olvidar … FRECUENCIA DE REPETICIÓN DE IMPULSO Numero de los impulsos por segundo de la descarga parcial en el caso de impulsos equidistantes. Std. IEC 60270-2000 DESCARGAS PARCIALES Medición / No Olvidar … TENSIÓN DE EXTINCIÓN Tensión aplicada a la que las descargas parciales repetitivas cesan de ocurrir en el objeto de ensayo, cuando la tensión aplicada al objeto se disminuye gradualmente desde un valor mas alto en el cual se observan las cantidades de impulsos de DP. Std. IEC 60270-2000 Sensores para la detección y sincronización de señales de Descarga Parciales DESCARGAS PARCIALES Medición / Sensores • Sensores PD para detección (wide/narrow bandwidth) – Sensores capacitivos (Acopladores) – Sensores inductivos: Transformadores de corriente de Alta frecuencia (HFCT) – Acopladores directos – Sensores piezoeléctricos – Sensores de antena • Sensores de sincronización – Señal externa procedente de la línea o máquina VT – Divisor resistivo – Divisor capacitivo (también como sensor PD) – Inductivo: bobinas Rogowsky DESCARGAS PARCIALES Medición / Divisores DESCARGAS PARCIALES Medición / Acopladores A través de un condensador de acoplamiento interno, se proporciona tanto la señal de sincronización como la de PD. DESCARGAS PARCIALES Medición / Acopladores • Para C valores más altos implican: – Alta sensibilidad (circuitos abc) • Alta sensibilidad a las frecuencias que componen la señal PD. VPD C2 C1 C1<C2 frequency fc2 fc1 PD Signal (V out PD ) HPF LPF Test Voltage (V in ) Coupling Capacitor (Cc) La señal proveniente del sensor es filtrada a través de un filtro pasa-bajo, proporcionando la señal sincronizada; La señal PD es filtrada a través de un filtro pasa-alto con una tensión de prueba que permite el rechazo de ruido. Los Cuadripolos pueden ser aplicados para pruebas de PD en línea on/off y la señal de atenuación puede variar de acuerdo a la frecuencia de la tensión de prueba. Están disponibles en diferentes rangos de frecuencia; difieren en valor el uno del otro por los condensadores de acoplamiento que están conectados de los condensadores, buscando con esto obtener la relación necesaria para la sincronización entre la tensión de entrada (Vin) y la tensión de salida (Vout sincronizada). Synchro Signal (V out synchro ) DESCARGAS PARCIALES Medición / Cuadripolo DESCARGAS PARCIALES Medición / HFCT Sensor inductivo de descargas parciales adecuado para mediciones on/off line en cables, transformadores, maquinas rotativas, otras ... (Vout) has the same phase as the input current (Iin). DESCARGAS PARCIALES Retomando …., / Degradación: • Envejecimiento térmico • Ciclos térmicos • Giro a corto circuito • Vibración en las franjas de los bobinados • Degradación por ranura en el recubrimiento • Degradación por grado de Stress eléctrico DESCARGAS PARCIALES Medición / Fuera de Servicio Cable con señal HV (Opcional) Line-side terminals Señal PD Fuente HV DESCARGAS PARCIALES Medición / Fuera de Servicio Estrés constante en las partes de la muestra Los defectos que no se detectan durante el funcionamiento normal, pueden detectarse durante las pruebas offline No hay corriente de carga Maquina “fría” y húmeda, resultado común = descargas sobre cabezales de devanados No hay fuerzas electrodinámicas, no se observan descargas de ranura DESCARGAS PARCIALES Medición / Fuera de Servicio . Actividad de DP espira – espira no puede ser medida (ni on u off line) … DESCARGAS PARCIALES Medición / En Servicio Ventajas Una vez que los acopladores están instalados, se pueden realizar las mediciones en forma continua La tensión del equipo TEAM (Térmica, Eléctrica, Ambiental y Mecánica) es relevante en la operación real. Todos los tipos de PD se pueden observar. Desventajas Es necesaria la instalación de acopladores (Fiabilidad de los acopladores? Seguridad?) Ambiente ruidoso (Corona, Excitación, etc.) Alarmas positivas falsas Interpretación de los datos, actividad múltiple, Cross talk DESCARGAS PARCIALES Medición / En Servicio Acopladores Capacitivos Generadores/Motores críticos HFCT en los condensadores de incremento Generadores/Motores provistos con condensadores de incremento para periodos de alta criticidad DESCARGAS PARCIALES Medición / En Servicio HFCT configurado con cables conductores a tierra MV Motores no provisto con Condensadores de incremento para periodos de alta criticidad HFCT configurado directamente a tierra Motor no provisto con condensadores de incremento para periodos de alta criticidad DESCARGAS PARCIALES Medición / En Servicio DESCARGAS PARCIALES Medición / En Servicio / Acopladores • Los grandes valores de C implican: • Mayor sensibilidad en los componenentes de PD en señales Low fequecy de baja frecuencia • 1 nF: fcut / off = 3.2 MHz VPD C2 C R C1 VPD f cut / off 1 / 2RC C1<C2 frecuencia f2 f1 DESCARGAS PARCIALES Medición / NQ Interpretación de resultados de patrones de Descargas Parciales Para uso exclusivamente interno / Copyright © Siemens AG 2007. All rights reserved. DESCARGAS PARCIALES Datos Importantes Evolución de las Descargas Parciales Mediciones de IR y PI Mediciones de capacitancia y/o factor de potencia Vibraciones en los bobinados finales y en las ranuras Lecturas de RTD (TC) en las ranuras y en el núcleo Inspección visual inicial Monitoreo del Ozono DESCARGAS PARCIALES Conceptos Descargas Parciales en las ranuras Se pueden observar cuando el revestimiento de la ranura, a pesar de ser resistente, presenta grietas Huecos/Delaminaciones: Cavidades internas en el sistema de aislamiento del núcleo Tracking o Arcos en Cabezales de bobina: Descargas entre barras en la región donde las espiras se alejan del núcleo de hierro. . DESCARGAS PARCIALES Conceptos DP . Ranura a Ranura (fase-a-fase) / descargas: Se aprecian cuando: La separación se reduce debido a la deformación mecánica de la región final La humedad cubre los espacios conductores de las barras de la región final Descargas Parciales graduales en la superficie de la región que presenta estrés: Se aprecian cuando: La resistencia de contacto entre el revestimiento de la ranura y el grado de estrés es muy grande o no existe contracto entre ellos. El grado de contaminación de la región de estrés afecta el conductor (para seguimiento) DESCARGAS PARCIALES Tracking DESCARGAS PARCIALES Cavidades/Delaminaciones DESCARGAS PARCIALES Ranura DESCARGAS PARCIALES Arco Interno / Barra - Barra DESCARGAS PARCIALES Degradación capa semiconductora DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES Fuentes Dado de Presión PD - Ranura PD Superficiales Barra a Barra Arcos Degradación SC Barra PD Internas DESCARGAS PARCIALES Fuentes Descargas Parciales en la Superficie Nucleo de hierro Semicon Mica Conocido como “corona”. Fisicamente: PD en la superficie DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq DESCARGAS PARCIALES nq Referencias 1. Brochure Pdix Power Diagnostix / Internet. 2. Material de internet: • Partial discharge Monitoring – Jerry Walker • IEEE Transactions on dielectrics and electrical insulation Vol 12, No. 2 April 2005.