Descargas Parciales en Generadores

CIGRÉ-MÉXICO BIENAL 2001

COMITÉ MEXICANO 11 - 01 BIENAL 2001

DIAGNÓSTICO INTEGRAL DEL DEVANADO DEL ESTATORDE GENERADORES ELÉCTRICOS

Ing. Marcos Esparza Saucedo, Ing. Eugenio Ponce de León ViedasComisión Federal de Electricidad

1.0 RESUMEN

El objetivo de este trabajo es mostrar las pruebas dediagnóstico del devanado del estator de generadoreseléctricos utilizadas actualmente en ComisiónFederal de Electricidad, los criterios de aceptaciónaplicables y la experiencia que se tiene con estaspruebas respecto a su efectividad para indicar lacondición de los aislamientos.

2.0 INTRODUCCION

En Comisión Federal de Electricidad existen más de570 generadores eléctricos, con capacidades desdeunos pocos MW hasta 675 MW, cuyos devanadosde estator están fabricados con diferentes tipos deaislamientos, dependiendo de su antigüedad, comoson a base de asfalto, resina poliéster ó resinaepóxica; y que utilizan diferentes medios y tipos deenfriamiento como son aire en circuito abierto ócircuito cerrado, hidrógeno enfriando indirectamenteó directamente y agua.

Aun con tanta variedad en diseños de losgeneradores eléctricos, los mecanismos dedegradación de los aislamientos del devanado delestator son los mismos; La temperatura a la queoperan, los esfuerzos mecánicos de los arranques,paros y corrientes, los esfuerzos eléctricos,principalmente en tensiones a partir de 13.8 kV y elataque de agentes químicos o ambientales. Elimpacto de cada mecanismo de degradación difieredependiendo del diseño del generador eléctrico encuanto al tipo de sistema de aislamiento utilizado ytipo de enfriamiento, así como de la magnitud yrepetición ó duración de los mecanismos dedegradación.

Artículo recomendado y aprobado por el ComitéNacional de CIGRÉ – México, para presentarse en elSegundo Congreso Bienal, del 13 al 15 de junio del2001, en Irapuato, Gto.

Desde hace mucho tiempo se ha tratado dediagnosticar la condición de los aislamientos deldevanado del estator buscando pruebas dediagnóstico que sean lo más efectivas posible paraindicar el grado de deterioro, su localizaciónespecifica y el mecanismo que produce ladegradación. Tradicionalmente, las pruebas dediagnóstico se han hecho fuera de línea, es decir,con la máquina desenergizada, aprovechando lassalidas de las unidades a mantenimiento, con unenfoque de mantenimiento preventivo, es decir,periódico.

Desde unos años atrás, se ha buscado el enfoquepredictivo, el cual se basa principalmente endiagnóstico en línea, es decir, con la máquina enoperación normal, lo cual tiene la ventaja de analizarla máquina bajo todas las condiciones de operación.Hace unos 50 años se empezaron a desarrollarinstrumentos para medir las descargas parciales enlínea, las cuales son un buen indicador de lacondición de los aislamientos. Esta técnica se inicióen generadores hidroeléctricos ya que la tecnologíade esos tiempos, con electrónica analógica, nopermitía discriminar adecuadamente las descargasparciales del ruido eléctrico en los turbogeneradores.Con el desarrollo de la tecnología de estosinstrumentos, en especial la tecnología digital, y eldesarrollo de programas de computadoras,actualmente existen varias compañías que fabricanequipos de monitoreo para todo tipo y capacidad demáquinas eléctricas rotatorias.

La limitante en el uso extensivo de estas tecnologíasde monitoreo en línea es el costo de los equipos.Sin embargo, en CFE ya se han instrumentadovarios generadores con este tipo de instrumentos,contando actualmente con varios hidrogeneradores yun turbogenerador de gran capacidad.

3.0 PRUEBAS DE DIAGNOSTICO

3.1.- PRUEBAS FUERA DE LINEA

3.1.1.- INSPECCION VISUAL

La inspección visual es una de las herramientas dediagnostico más importantes y efectivas si se realiza


adecuadamente. La condición en la que se puederealizar la inspección visual más extensiva ydetallada es con el rotor extraído del generador. Lospuntos principales a inspeccionar son los siguientes;

Verificar si hay zonas con polvo blanco en cuñas delestator y sobre amarres, separadores y barras en elcabezal, indicativo de actividad de descargasparciales.

- Verificar si la separación entre barras en elcabezal es uniforme. Que no haya signos deaflojamiento o deformación de las barras en elcabezal ni separadores ni amarres flojos.

- Verificar si hay caminos de falla (tracking) entrebarras en el cabezal. Se pone atención especialen separadores de barras contiguas que operancon alta diferencia de

potencial entre ellas.

- Verificar que no haya grietas ni erosión en elaislamiento. Se pone especial atención en lazona de salida de las barras de las ranuras y enlos amarres y separadores.

- Verificar si hay polvo amarillento sobre lascuñas en las ranuras. Esto es indicativo dedesgaste del material de las cuñas o aislamientopor aflojamiento de cuñas.

- Verificar si hay signos de sobrecalentamiento enel aislamiento del devanado o en el núcleomagnético y los blindajes magnéticos.

- Verificar estado general de limpieza. Presenciade polvo o aceite sobre el aislamiento.

- Verificar que no estén obstruidos con suciedado materiales extraños los ductos de enfriamientodel núcleo del estator o de los devanadoscuando son enfriados directamente porhidrógeno.

3.1.2.- PRUEBAS ELECTRICAS .

Las pruebas fuera de línea se realizanpreferentemente en aire, con el rotor extraído delgenerador. La temperatura del devanado debe estaral menos 5 °C sobre el ambiente para evitarcondensación de humedad.

RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

La medición de la resistencia de aislamiento no seconsidera como una prueba de diagnóstico de ladegradación del aislamiento, aunque en ciertoscasos y condiciones si puede serlo. Más bien, elvalor absoluto de la resistencia de aislamiento y elíndice de polarización se usan para determinar lacondición del aislamiento en cuanto a suciedad yhumedad del mismo y decidir si el devanado es aptopara operar ó realizarle pruebas con tensiones

elevadas. También, es la prueba de rigor paradeterminar si existe falla a tierra o entre fases en eldevanado después de ocurrir un disparo delgenerador.

La práctica usual es que cuando se vayan a realizarpruebas dieléctricas con tensiones equivalentes a lanominal del devanado ó mayores, se midapreviamente su resistencia de aislamiento,incluyendo el índice de polarización, para asegurarque el devanado se encuentra en buenascondiciones de limpieza y seco para prevenir unposible daño al aislamiento por el esfuerzo de latensión. Así mismo, después de realizar las pruebasdieléctricas, se miden de nuevo la resistencia deaislamiento y el índice de polarización paracomprobar que no hubo ningún efecto adverso alaislamiento por las pruebas. La tensión de pruebapara la medición de resistencia de aislamiento debeser siempre la misma; 1000 VCD a 5000 VCD,dependiendo de la tensión nominal de la maquina.

Aun cuando casi todos los fabricantes recomiendanlos valores de resistencia de aislamiento mínima eíndice de polarización establecidos en el estándarIEEE-43, los cuales se consideran muy bajos, enCFE se están recomendando los siguientes:

Sistema de Resistencia de Indice deAislamiento Polariz.

Asfalto-mica kV + 1 MΩ ≥ 2.5

Poliéster ó 100 MΩ ≥ 4Epoxi- mica

La experiencia muestra que los valores anteriores deresistencia de aislamiento mínima pueden ser almenos 10 veces los indicados sin problemas paralograrlo.

3.1.2.1.- PRUEBA DE TANGENTE DELTA Y “TIP-UP”

La prueba de tangente delta de un aislamiento,también denominada factor de disipación y,también, equivalente al factor de potencia, es unamedida de las pérdidas dieléctricas del aislamiento.Su magnitud depende del tipo de aislamiento y delas condiciones del mismo y es independiente de suvolumen. La desventaja de esta prueba es que sólodetermina la condición promedio del aislamiento, esdecir, no detecta el punto de peor condición. Suvalor puede verse afectado por la humedad ysuciedad en la superficie del aislamiento que permiteuna circulación de corriente a tierra a través de lasuperficie del mismo aumentando las pérdidas.

El valor de tangente delta aumenta con lasdescargas parciales en el aislamiento. Por estarazón, se recomienda efectuar la prueba a dosvalores de tensión, uno inicial, suficientemente bajopara prevenir que haya descargas parciales y el otroa la tensión nominal de fase a tierra, que permita


medir las perdidas ocasionadas por las descargasparciales. Esta forma de medición se conoce como“tip-up” y es una medición indirecta de las descargasparciales.

Desafortunadamente, en devanados conrecubrimientos graduadores del campo eléctrico abase de carburo de silicio, a tensión nominal lacontribución principal en las perdidas proviene de laconducción a tierra a través de este recubrimiento,siendo imposible discriminar cuanto de las perdidasse deben a las descargas parciales y cuanto a laconducción de los recubrimientos graduadores. Poresta razón, con esta prueba no es posibledeterminar incrementos pequeños de descargasparciales con el tiempo.

Aun cuando muchos fabricantes establecen comoaceptables valores de tangente delta y “tip-up” muyelevados, CFE recomienda los siguientes:

Tipo de Tangente δ “Tip-up”Aislamiento 0.2 En/√3 En/√3 − 0.2 En/√3

Poliéster ó ≤ 1% ≤ 1 %Epoxi-mica

Es conveniente hacer notar que en devanados delestator enfriados con agua, si la prueba se realizacon agua dentro de los devanados los valores deTan δ pueden ser muy altos, dependiendo de laconductividad del agua.

Algunos fabricantes recomiendan obtener el “Tip-up”a una tensión de fase a tierra igual a la tensiónnominal entre fases de la máquina. CFE consideraque no es necesario aplicar una tensión de pruebatan elevada. Es suficiente con aplicar la tensiónnominal de fase a tierra. En esta prueba, además delos valores absolutos de tangente delta y “tip-up”, sedebe analizar la tendencia de estos valores.

3.1.2.2.- CAPACITANCIA

El devanado del estator puede considerarse comoun capacitor cuyos electrodos están formados porlos conductores del devanado y el núcleo del estatory su dieléctrico por el sistema de aislamiento.

La capacitancia del devanado se reduce con laformación de huecos en el aislamiento y aumenta sieste se satura con agua. La medición periódica dela capacitancia puede ser útil para determinardelaminación por sobrecalentamiento ocontaminación con agua en el devanado. Parapoder detectar cambios significativos en lacapacitancia se necesita medirla con equipos deprueba con resolución de tres decimales.Generalmente los equipos de medición de tangentedelta o factor de potencia incluyen la medición de lacapacitancia con una buena resolución y se puedenrealizar ambas mediciones al mismo tiempo. Sinembargo, la experiencia ha mostrado que esta

prueba no es muy sensible para detectardegradación del devanado.

3.1.2.3.- DESCARGAS PARCIALES

Por más cuidadoso que sea el proceso defabricación del aislamiento de los devanados delestator, es imposible que la resina de impregnaciónde las cintas aislantes penetre y llene perfectamentetodo el volumen del aislamiento por lo que siemprequedará una cantidad de huecos pequeños dentrodel mismo. Cuando el aislamiento eléctrico deldevanado es sometido a la tensión de operación delgenerador, en aquellos huecos donde se alcance através de ellos un nivel de tensión deaproximadamente 3 kV/mm, se romperádieléctricamente el aire contenido en ellos y seproducirán descargas parciales. Las descargasparciales originadas en el semiciclo positivo de latensión serán de polaridad negativa y las que seoriginen en el semiciclo negativo de la tensión seránde polaridad positiva. La magnitud de las descargasparciales depende del tamaño de los huecos,mientras más grandes sean los huecos, mayor serála magnitud de las descargas parciales. La unidadde magnitud de las descargas parciales en pruebasfuera de línea realizadas en CFE es el picocoulomb,pC. Aun los devanados nuevos nacen con unacantidad de descargas parciales internas del ordende algunos miles de pC, generalmente de 2 a 3,dependiendo del equipo de medición y sucalibración, en pruebas fuera de línea.

En condiciones no severas de operación de ungenerador, es decir, sin aflojamiento de losdevanados, sin arranques y paros muy frecuentes,sin cambios bruscos y fuertes de carga y sintemperaturas excesivas, se espera que elaislamiento se vaya degradando gradualmente a lolargo de muchos años, apareciendo más huecos ylos existentes haciéndose cada vez mayores. Sinembargo, ante la ocurrencia frecuente de losfactores de degradación antes mencionados, laaparición de huecos y daños en diferentes puntosdel sistema de aislamiento se acelera, con lo cualaumenta la cantidad y magnitud de las descargasparciales. Por esta razón, se considera que lasdescargas parciales son un síntoma y no la causa dela degradación del aislamiento. Sin embargo, unavez que las descargas parciales se presentan engran cantidad y magnitud, su acción contribuye aacelerar la degradación del aislamiento

En las pruebas fuera de línea se miden la magnitudy el patrón de distribución de las descargas parcialesrespecto a una onda senoidal de referencia con locual se trata de determinar el grado de ladegradación y su probable localización en el sistemade aislamiento. La correcta interpretación de estospatrones de descargas parciales requiere muchaexperiencia en este tipo de pruebas. La ventaja delas pruebas fuera de línea es que, durante lamedición, se puede ayudar a definir con más


precisión la localización de las descargas parcialesmás intensas con sensores direccionales deultrasonido y, en la zona de ranuras, con una sondaconocida como TVA. La medición en formaperiódica, permite determinar la razón dedegradación y, con cierta precisión, el tiempo de vidadel aislamiento.

La medición fuera de línea de las descargasparciales tiene como desventaja que no indica elcomportamiento de las descargas parciales en lascondiciones de operación del generador,especialmente en generadores eléctricos enfriadoscon hidrógeno, por ejemplo, en los cuales lasdescargas parciales se reducen notoriamente porefecto del hidrógeno a presión, además de que sereducen también por que el devanado solo tienetensión suficiente para generar las descargasparciales en un 20% del mismo aproximadamente,dependiendo de la tensión nominal. Adicionalmente,ya que solo se puede probar el devanado de unafase a la vez, aplicándole una tensión al devanadocompleto contra tierra, no permite detectarproblemas entre fases en el cabezal, tal como laformación de caminos de falla (tracking) entre fases.Tampoco detecta problemas incipientes en elrecubrimiento semiconductor en la ranura poraflojamiento de las barras.

La forma de evaluación del aislamiento medianteesta técnica es mediante los valores absolutos dedescargas parciales y su incremento con el tiempo.Es decir, se tiene que evaluar la tendencia. Un valorinicial de descargas parciales mayor al esperado nonecesariamente significa que el aislamiento vaya afallar pronto, se debe evaluar la magnitud delincremento con el tiempo.

El criterio general que se ha adoptado en CFE parael seguimiento de las descargas parciales fuera delínea es como sigue (dependiendo del equipo demedición utilizado y su calibración)

Periodicidad Magnitud de lasde la medición D.P.´s

Cada 4 años ≤ 10,000 pC

Cada 2 años > 10,000 pC - ≤ 30,000 pC

Cada año > 30,000 pC - < 100,000 pC

Si las descargas parciales han alcanzado valores de30, 000 pC o más, lo recomendable es instalarequipo de monitoreo en línea para realizar una mejorevaluación de la causa de las mismas y unseguimiento más oportuno de la tendencia. Esimportante considerar que cuando se realicenmediciones periódicas de descargas parciales, esnecesario que siempre se midan con los mismosequipos y calibración para no tener variaciones devalores por utilizar diferentes equipos de medición ycalibración de los mismos.

La experiencia actual en la medición de descargasparciales fuera de línea muestra que, en muchoscasos, no es fácil determinar el origen de lasdescargas parciales. La contaminación ó suciedadde los devanados producen descargas parciales quepueden confundirse con otro mecanismo de falla.Esto dificulta tomar la decisión respecto al tipo detrabajo correctivo necesario. Aun con todo, estaprueba a demostrado ser la más sensible adegradación del aislamiento ó contaminación en elmismo.

3.1.2.4.- PRUEBA DE ELCID

Aun cuando este artículo se refiere al diagnóstico deldevanado del estator, dado que el núcleo del estatorestá muy ligado al devanado, se incluye eldiagnóstico del núcleo magnético del estatormediante la prueba de ELCID. Esta pruebadetermina cortos circuitos entre laminaciones delnúcleo del estator mediante un toroide que produceun flujo magnético del 4 % aproximadamente delnominal. La prueba de ELCID ha demostrado buenasensibilidad para detectar laminaciones en corto enel núcleo del estator de turbogeneradores. En losgeneradores hidroeléctricos no responde tanadecuadamente por la construcción en secciones delnúcleo magnético

El criterio de aceptación para considerar un núcleomagnético en buenas condiciones es el siguiente:

Corriente máxima: ≤ 100 mA

3.1.2.5.- PRUEBA DE ALTO POTENCIAL

La prueba de alto potencial no es aceptada pormuchos como una prueba de rutina para evaluar lacondición del aislamiento del devanado del estatorpor considerarse una prueba destructiva. Sinembargo, realizada a niveles de tensión menosseveros que en fabrica ó en puesta en servicio, si eldevanado pasa la prueba, se tiene un buen nivel deconfianza en que este no va a fallar en operacióncuando ocurra un transitorio de tensión.

La prueba de alto potencial se puede realizar concorriente directa o con corriente alterna. Serecomienda esta ultima por que somete alaislamiento a un esfuerzo más real respecto a laoperación del generador y es más sensible que lacorriente directa a defectos serios del aislamiento.El inconveniente con la prueba con C.A. es que serequieren equipos de prueba de alta capacidad,especialmente en máquinas grandes. Por estarazón, generalmente esta prueba se realiza con C.D.

Los valores de tensión de corriente alternarecomendados para esta prueba son los siguientes:

En fabrica ( 2En + 1 ) kV 1 minuto


Puesta en 0.85 (2En + 1) kV 1 minutoServicio

Si se quiere probar con corriente directa, se debenmultiplicar los valores anteriores por 1.7

Las pruebas de alto potencial al aislamiento de losdevanados no es una práctica recomendada en CFEcomo mantenimiento ya que se sobreesfuerza elaislamiento y se le resta vida. No se recomiendaaplicar más de la tensión nominal de fase a tierra aun devanado.

3.2.- PRUEBAS EN LINEA

3.2.1.- DESCARGAS PARCIALES

La mejor prueba de diagnóstico en línea deldevanado del estator de los generadores eléctricosque existe actualmente es la medición de descargasparciales, la cual se ha constituido en la herramientamás poderosa de diagnóstico del aislamiento deldevanado del estator ya que se realiza con elgenerador eléctrico en operación, bajo los esfuerzoseléctricos, mecánicos y térmicos propios de esacondición.

Las ventajas de esta técnica son: la medición serealiza en minutos en el momento que uno decida y,dependiendo del sistema utilizado, puedeinterpretarse por una persona que haya recibido unsencillo curso. Además, no requiere calibración deequipos ya que los sensores son fijos.

Por la confiabilidad de los equipos y experiencia conellos, en CFE se está utilizando el sistema demedición desarrollado por Ontario hydro. En estesistema, en generadores hidroeléctricos, lasdescargas parciales que se originan dentro de losdevanados y se transmiten al exterior de los mismos,se captan a través de capacitores de 80 nFconectados directamente a la salida de losdevanados. El equipo analizador proporciona lasiguiente información relacionada con las descargasparciales; Magnitud de las descargas parcialespositivas y negativas en milivolts (mV), denominadacomo Qm, definida como el valor en mV a una tazade repetición de las descargas parciales de 10pulsos por segundo. La cantidad de descargasparciales en pulsos por segundo convertida a unnúmero llamado NQN, que es equivalente al áreabajo la curva de cada polaridad en una gráfica dedos dimensiones en la cual en el eje “Y” seencuentra la cantidad de descargas parciales enpulsos por segundo y en el eje “X” la magnitud de lasmismas en mV.

A continuación se muestra a manera ilustrativa y untanto idealizada la apariencia de una gráfica de dosdimensiones típica de medición en línea dedescargas parciales de un generador hidroeléctrico,en donde la magnitud de las descargas parcialespositivas Qm (+) y negativas Qm (−), sonaproximadamente de 240 mV y 270 mV,

respectivamente. Para cada fase del devanado seobtiene una gráfica similar. En la práctica, lascurvas obtenidas de descargas parciales positivas ynegativas no son perfectamente rectas.

La cantidad de descargas parciales negativas, NQN(−), en este ejemplo, sería un poco mayor que la delas descargas parciales positivas, NQN (+). Ya que,como puede apreciarse, el área bajo la curva de lapolaridad negativa sería mayor que la de la polaridadpositiva. También, mediante un software, se puedeobtener el patrón de agrupamiento de las descargasparciales respecto a la onda senoidal de tensión dereferencia, en una gráfica de tres dimensiones.

En CFE sólo se tiene hasta la fecha unturbogenerador, con capacidad de 350 MW,instrumentado con sensores para medición en líneade descargas parciales. En este caso, los sensoresson tipo antena, los cuales captan las descargasparciales a través de los pulsos electromagnéticosque producen y se instalan directamente en lasranuras, dos por fase, entre las barras del devanadocon mayor tensión y las cuñas. Por el tipo de sensory, principalmente por el efecto del hidrógeno apresión para reducir las descargas parciales, en estetipo de sistema los valores obtenidos en cantidad ymagnitud de descargas parciales son muchomenores que en el caso de los generadoreshidroeléctricos que son enfriados por aire a presiónatmosférica.

En un generador eléctrico la mayor parte delaislamiento del devanado del estator está sujeto auna tensión de fase a tierra, desde los conductoresde cada barra del devanado a la superficie de lasmismas recubiertas por una cinta o pinturasemiconductora que se pone a referencia de tierra alestar en contacto con el núcleo del estator en lasranuras del mismo. Por lo tanto, las descargasparciales originadas en la sección del devanado conrecubrimiento semiconductor y graduador dependende la tensión de fase a tierra de la máquina.


Los sistemas de medición de descargas parciales enlínea incluyen una señal de tensión de la máquina defase a tierra como referencia, tomada de uno de lossecundarios de los transformadores de potencial,con la cual, mediante software, se reproducen lasondas de tensión de fase a tierra de las otras dosfases para mostrar los patrones de agrupamiento delas descargas parciales en cada fase del devanadorespecto a su tensión correspondiente de fase atierra.

Las descargas parciales que se originan por latensión de fase a tierra durante el semiciclo positivode la tensión, se agrupan alrededor de los 45°eléctricos y son de polaridad negativa. Mientrasque, las descargas parciales originadas en elsemiciclo negativo, se agrupan alrededor de los 225°eléctricos y son de polaridad positiva, como seilustra en la siguiente figura en la que la ondasenoidal corresponde a la tensión de fase a tierra deuna de las fases del devanado.

Tensión de fase a tierra Descargas parciales

(+)

0 45 90 135 225 270 315 360

(−)

En un aislamiento en el cual solo existen huecosdentro del volumen del aislamiento principal,condición que se considera normal y que se esperaque progrese gradualmente a lo largo de muchosaños de operación, la magnitud y cantidad de lasdescargas parciales de ambas polaridades son muysimilares entre sí, con pequeñas diferencias, comose observa en la gráfica de dos dimensionesanterior, en la cual la magnitud de las descargasparciales negativas (270 mV) es mayor en un 12.5%que la de las descargas parciales positivas (240mV). Si la magnitud de las descargas parciales deuna de las polaridades es mayor en un 50%aproximadamente que la de la otra polaridad, se diceque hay una predominancia de polaridad y esto esindicativo de la existencia de otros mecanismos dedegradación en el aislamiento.

Los diferentes mecanismos de degradación delaislamiento se pueden identificar por lascaracterísticas en predominancia de polaridad asícomo del ángulo en que se agrupan las descargasparciales respecto a la onda de tensión de

referencia. También, se ha observado que algunosmecanismos de degradación del aislamientomuestran cambios en la magnitud de las descargasparciales por variaciones en temperatura y carga deldevanado. A continuación se explican losmecanismos de degradación más comunes y laforma en que se pueden identificar mediante lapredominancia de una polaridad.

No predominancia de polaridades. Si se encuentraque la magnitud y cantidad de las descargasparciales de ambas polaridades son similares,generalmente se debe a la existencia de huecosdentro del volumen del aislamiento principal.Aunque también es posible que esta característicaocurra cuando existan dos mecanismos de falladiferentes que produzcan descargas parciales depolaridades opuestas que resulten en magnitudes ycantidades similares.Predominancia de polaridad negativa. Cuando lasdescargas parciales de polaridad negativapredominan, se ha encontrado que se deben a queel aislamiento principal se separa de los conductoresdel devanado. Esta situación se origina porarranques y paros excesivos en los que, por tener elcobre y el aislamiento principal coeficientes dedilatación por temperatura diferente, con larepetición de este efecto se fatiga la unión en lainterfase de conductores y aislamiento hastaromperse formando huecos.

Predominancia de polaridad positiva. Cuando lapolaridad que predomina en las descargas parcialeses la positiva, se ha encontrado que son debidas adescargas parciales que ocurren de la superficie delaislamiento a tierra. Por ejemplo, al dañarse elrecubrimiento semiconductor de las barras en lazona de ranuras y perderse la referencia de tierra,en donde haya separaciones entre el aislamiento yel núcleo del estator ocurrirán descargas parcialescuya característica es que son de polaridad positiva.También ocurrirán descargas parciales positivas encaso de daño en la interfase entre el recubrimientosemiconductor y el graduador a la salida de lasbarras de las ranuras.

Cuando se presentan problemas de contaminación ótracking entre barras contiguas del devanado en elcabezal que son de fases diferentes con un altopotencial entre ellas, las descargas parciales enestos puntos son originadas por una tensión entrefases. En este caso, las descargas parciales seagruparán en un ángulo de ± 30° eléctricos respectoa la tensión de referencia de fase a tierra. Es decir,a 15° ó 75° para las descargas de polaridad negativay 195° ó 255° para las positivas.

El efecto de las variaciones de carga ó temperaturadel devanado sobre las descargas parciales dealgunos mecanismos de degradación puede ser hasubir ó bajar la magnitud de aquellas. Si al subir lacarga ó la temperatura del devanado las descargasparciales se incrementan, se dice que hay un efectopositivo por estos factores. Si el resultado es


contrario, es decir, que se reducen las descargasparciales con el aumento de carga ó temperatura enel devanado, se dice que hay un efecto negativo.Para determinar si hay un efecto en las descargasparciales por temperatura, se debe lograr unavariación en temperatura en el devanado del estatorde al menos 20°C y en el caso de la carga lavariación debe ser al menos de 40%.A continuación se indican los mecanismos de fallamás comunes del aislamiento y las característicasde las descargas parciales que producen.

MecanismoDe falla

Polaridadquepredomina

Efecto decarga

Efecto deTemp.

Angulode fase

DeterioroTérmico

Ninguna Ninguno Negativo 45° y225°

Ciclos decarga

Negativa Negativo Negativo 45°

DevanadoFlojo

Positiva Positivo Negativo 225°

Descargasa la ranura

Positiva Ninguno Negativo 225°

MalaImpregna-ción

Ninguna Ninguno Negativo 45° y225°

Contamina-ción

Ninguna Ninguno Nopredecible

15°,75°,195° y255°

Espacioinadecuadoentre barras

Ninguna Ninguno Nopredecible

15°,75°,195° y255°

Interfasesemicon ygraduadora

Positiva Ninguno Positivo 225°

La tabla anterior nos ayuda a determinar quepruebas hacer, incluyendo variar carga ytemperatura, para determinar los mecanismos defalla que estén presentes. El criterio de evaluaciónincluye, además de la cantidad y magnitud de lasdescargas parciales, la tendencia. Inicialmente, sedeben tomar lecturas cada seis meses. Si el valorinicial se considera muy elevado o si el segundovalor semestral es mayor que el anterior, se debentomar lecturas con mayor frecuencia, por ejemplocada tres meses. De acuerdo con el fabricante delequipo de medición en línea de descargas parciales,si el valor de estas se duplica cada seis meses, eldevanado esta en un proceso de deterioro muyrápido y deben tomarse previsiones para un cambiode devanado o un mantenimiento correctivo. Otraforma de evaluación es comparando contrageneradores similares.

Para que la tendencia de las descargas parcialessea adecuada, se debe tratar de que las condicionesoperativas de la máquina sean lo más parecidasposible entre mediciones sucesivas. Las variacionespermisibles recomendadas para este efecto soncomo se indica en la siguiente tabla:

Parámetro ToleranciaTensión del estator ± 200 VCarga ± 10%Potencia activa MW ± 10%Potencia reactiva MVAR ± 10%Temperatura de devanado ± 5°CPresión de gas ± 30 kPaModo de operación:Generador/condensador

Sin cambio

El fabricante de los equipos de monitoreo en líneade descargas parciales cuenta con una base dedatos de miles de lecturas, agrupadas por tipo desensor de descargas parciales y medio deenfriamiento y, dentro de cada grupo por rangos detensiones nominales de generadores eléctricos. Acontinuación se muestra una tabla con los valores demagnitud en mV de descargas parciales engeneradores eléctricos enfriados por aire, equipadoscon sensores capacitivos de 80 nF conectados enarreglo conocido como diferencial, que correspondea los arreglos de la mayoría de los generadoreshidroeléctricos instrumentados con sensores demedición de descargas parciales en línea en CFE.Estos valores son parte de la estadística másreciente del fabricante de los equipos de mediciónutilizados por CFE.

Tensiónnominal

13 – 15 kV 16 – 18 kV

Promedio 168 457Máximo 3396 3548 25% 9 145 50% 79 269 75% 180 498 90% 362 1024

Los valores en el renglón de 25% significan que unacuarta parte de los generadores tienen descargasparciales por debajo de 9 mV y 145 mV, en esos dosrangos de voltaje y así sucesivamente, hasta elrenglón de 90%. Esto significa que la gran mayoríade los generadores en esta categoría, 90%, tienenvalores por debajo de 362 mV y 1024 mV en los dosrangos de tensiones nominales indicados.

4. CRITERIO DE DIAGNOSTICO REALIZANDOPRUEBAS NO DESTRUCTIVAS YDESTRUCTIVAS

Algunos fabricantes de generadores eléctricos handesarrollado la siguiente metodología para evaluar elgrado de deterioro de los sistemas de aislamiento delos estatores a maquina parada (off-line), medianteuna serie de pruebas no destructivas durante la vidaoperativa del generador y una serie de pruebasdestructivas a una muestra de barras (semibobinas)


retiradas de generadores mayores de 20 años o enbase a diagnostico actual, con los siguientes criteriosque implican que el sistema de aislamiento estacerca del final de su vida útil.

• Descargas parciales > 100 000 pC aEn/√3 volts

∆tanδ > 6.5 % (tanδ a En -tanδ a E0)

• Cambio de capacitancia

cap 0.6 En – cap 0.2 En x 100 <3.0 % cap 0.2 En

• Tensión de ruptura del aislamiento (Vr) <40 % Vr

100 % Vr = tensión de ruptura en fabrica (en barrasde muestra)

También, la decisión de rebobinar un estator puedeser basada en los siguientes criterios; horasacumuladas de servicio, temperatura de operación,número de arranques/paros, así como, laimportancia del sitio dentro del S.E.N.

5.0 CONCLUSIONES

Las pruebas de diagnóstico típicas para determinarla condición del aislamiento del devanado del estatorde los generadores eléctricos son: tan δ,capacitancia y descargas parciales. La prueba dedescargas parciales fuera de línea ha demostradotener una mayor sensibilidad a la degradación delaislamiento y a la contaminación del mismo que lasde tan δ y capacitancia. Sin embargo, con losresultados obtenidos a la fecha con estas trespruebas no se han podido correlacionar de unamanera concluyente. Las pruebas mencionadas eneste trabajo seguirán aplicándose en CFE con el finde ganar más experiencia en su interpretación,sobre todo la de descargas parciales en la que seconsidera que falta más experiencia en suinterpretación, sobre todo cuando se presentanmecanismos de degradación múltiples ócontaminación.

6.0 REFERENCIAS

- Reportes de pruebas del LAPEM- Curso de Descargas Parciales de la compañía

Iris Power Engineering- G. C. Stone, V. Warren and M. Fenger,

“Influence of Operating and AtmosphericParameters on Partial Discharge Results FromStator Windings”, Preliminary paper 7D, 2001Doble Client Conference.

- Recomendaciones de fabricantes degeneradores eléctricos.

Descargas Parciales en Generadores

Documents

Transcript of Descargas Parciales en Generadores