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RESUMEN

En este trabajo se presentan los hallazgos más relevantes obtenidos en el laboratorio de descargas parciales la Ayurá de propiedad de las Empresas Públicas de Medellín, EEPPM – Colombia. En el laboratorio se ha venido realizando investigaciones sobre los mecanismos de degradación del sistema semiconductor, graduador y del aislamiento primario en barras de ensayo tomadas de los devanados de armadura de los generadores sincrónicos instalados en las centrales de generación y se ha detectado las señales de descargas parciales PD mediante equipos

analizadores multicanales y una sonda de RF para la detección corona, con el fin de conocer las posibilidades de empleo de la sonda y el campo práctico de aplicación. Las barras se han probado eléctricamente a una tensión equivalente a 8 Kv de A.C, sometiendo las placas de fijación de las barras bajo ensayo eléctrico a una fuente pulsante con el fin de simular la condición de trabajo del devanado en el núcleo de una máquina sincrónica.

FUENTE PULSANTE Y SONDA DE CORONA, HERRAMIENTAS PRÁCTICAS EN LA EVALUCIÓN DE LAS DESCARGAS PARCIALES EN AISLAMIENTOS

ESTATÓRICOS

Autor/es: JUAN CARLOS TORO LONDOÑO –Ingeniero Magíster Electricista HÉCTOR DIEGO GONZÁLEZ SÁNCHEZ – Ingeniero Magíster Electricista Empresa o Entidad: EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN Cargo: Ingenieros Electricistas

DATOS DE LA EMPRESA EMPRESAS PÚBLICAS DE MEDELLÍN Carrera 58 No. 42 – 125 A.A. 940 Tel: 3802210 – 3802189 – 3802171 Fax: 3806749 E-Mail: jtorol@eeppm.com hgonzale@eeppm.com

PALABRAS-CLAVE: Aislamientos, Descargas Parciales; Fuente Pulsante, Sonda Corona.

Medellín, Antioquia Julio de 2005. Subtema: GE1 Área: Generación

COMISION DE INTEGRACION ENERGÉTICA REGIONAL COMITE NACIONAL COLOMBIANO Código: II RIG&T OAM – CO – 40 / G

III REUNION INTERNACIONAL DE GENERACIÓN & TRANSMISION, OPERADORES Y ADMINISTRADORES DE MERCADOS

“RIESGO & PRODUCTIVIDAD” Medellín, 11-14 de Septiembre de 2005

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INTRODUCCIÓN La fuente pulsante y la sonda corona hacen parte de las herramientas fundamentales utilizadas en el laboratorio de descargas parciales La Ayurá de propiedad de las Empresas Públicas de Medellín, Colombia (EEPPM), tendientes a investigar mediante la técnica de las descargas parciales, los mecanismos de degradación de los aislamientos sólidos pertenecientes a las barras de los devanados de armadura de las grandes máquinas sincrónicas instaladas en las centrales de generación. La fuente pulsante desarrollada localmente, fue concebida para acelerar el proceso de degradación del sistema aislante, semiconductor y graduador en muestras de ensayo, constituidas por piezas de barras estatóricas con aislamiento entre el conductor y tierra. La fuente simula las condiciones de ensayo necesarias para evaluar la estabilidad del aislamiento primario y de los sistemas semiconductor y graduador de la barra, mediante pruebas de diagnóstico periódicas para indagar el incremento o estabilidad de las descargas parciales en las barras sometidas a continuos envejecimientos vibratorios. Con la fuente pulsante ha sido posible realizar ensayos de esfuerzos mecánicos al sistema semiconductor y graduador como a la porción del aislamiento sólido de la barra a la salida de la ranura (ground wall), en muestras tomadas de los devanados de armadura de las grandes máquinas sincrónicas instaladas en las centrales de generación de las Empresas Públicas de Medellín (EEPPM). Los ensayos mecánicos realizados a las barras de prueba, tienen

como propósito degradar y someter a esfuerzos de fatiga los sistemas semiconductor y graduador como el aislamiento primario (ground wall) de las barras de ensayo a la salida de la ranura, con el fin de determinar la habilidad que poseen los diferentes sistemas semiconductores, graduadores y aislantes empleados en las barras, para resistir bajo operación las fuerzas electrodinámicas propias de la operación del devanado. El control del proceso de degradación se ha realizado mediante la detección de los cambios observados en las señales captadas a través de la utilización de equipos analizadores multicanales de amplitud de descargas parciales existentes en el laboratorio de la Ayurá de propiedad de EEPPM. De los casos de investigación con mayor repercusión en la estabilidad de los aislamientos sólidos empleados en los devanados de las máquinas sincrónicas autoventiladas instaladas en las centrales de generación está el estudio del fenómeno corona, entendido como un caso particular del fenómeno de descarga parcial, caracterizándose por ser un fenómeno visible y audible que se produce sobre la superficie del conductor, cuando el gradiente de tensión en la superficie alcanza un valor que excede la rigidez dieléctrica del gas que le rodea. En el laboratorio de descargas parciales La Ayurá, se vienen adelantando trabajos de investigación tendientes a confrontar las técnicas de detección del fenómeno corona, mediante equipos analizadores multicanales de descargas parciales PDA y las sondas de radiofrecuencia similares a las empleadas por Tenessee Valley

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Authority (TVA) en la ejecución de las pruebas de detección electromagnética o pruebas TVA. La sonda empleada en el laboratorio por EEPPM para la confrontación tecnológica y el conocimiento de sus posibilidades en el proceso de medición de la magnitud y presencia del efecto corona en un aislamiento sólido, es el instrumento medidor de pico por pulso PPM-97 de la casa fabricante ADWELL Internacional, capaz de presentar los pulsos de alta frecuencia adquiridos durante la ejecución de la prueba electromagnética asociados a la ocurrencia de una actividad de descarga parcial (corona) en el aislamiento sólido.

ASPECTOS GENERALES DE LOS

EQUIPOS Fuente Pulsante. El sistema de aplicación de fuerza pulsante (no de impacto en la barra), está diseñado para excitar el aislamiento en el terminal de la bobina mediante la aplicación de una fuerza orientada de abajo hacia arriba. Estando la bobina en cantiliver, el sistema permite aplicar mediante un sistema de sujeción, una fuerza oscilante hacia arriba y hacia abajo, repetitiva sobre la superficie del aislamiento de la barra, teniendo presente que la fuerza se aplica en uno de los extremos. La fuente pulsante diseñada y fabricada en Medellín con la dirección de EEPPM, se compone esencialmente de una unidad hidráulica, una estructura mecánica de soporte (mesa) y un sistema de control electrónico. Estos tres elementos se encuentran debidamente acoplados para cumplir la función de transmitir el esfuerzo a la barra y degradarla por la acción pulsante, (figuras 1, 2 y 3).

Figura 1. Elementos que conforman la fuente

vibratoria

Figura 2. Fuente vibratoria

Figura 3. Diagrama de bloques de la fuente

vibratoria

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El sistema está diseñado para realizar ensayos de fatiga en el aislamiento primario de las barras de prueba a la salida de la ranura y estimar de esta forma, el comportamiento de los diferentes aislamientos empleados y los correctivos que se requieran implementar en los equipos bajo operación. El esfuerzo aplicado a la sección transversal de la barra en el punto de sujeción de la misma en el rango de 100 a 300 mm, es del tipo repetitivo graduable entre 300 y 600 Kg/cm2 durante 107 ciclos continuos, con periodos de 0.5 segundos. Uno de los dispositivos más importantes del sistema lo constituye el controlador electrónico, el cual se encarga de transmitirle señales al motor y a la servoválvula, a la vez que capta o recibe la información suministrada por la celda de carga; destinada a controlar la frecuencia de oscilación y la fuerza del pistón que se ejerce sobre la barra de prueba (figura 4).

Figura 4. Celda de carga

El sistema hidráulico se encarga de proporcionar la energía necesaria para mantener el movimiento oscilante del pistón que incidirá sobre la barra, para este propósito, se cuenta con un cilindro encargado de producir el movimiento oscilatorio simulando el efecto de vibración sobre la barra de prueba (figura 5).

Figura 5. Cilindro pulsante Sonda de Corona. La sonda corona básicamente la constituye un sensor especialmente diseñado del tipo antena, similar a las usadas para la recepción de las transmisiones de radio en A.M, con capacidad de sintonizar frecuencias en el rango de 500 kilohertz (KHz) a 10 megahertz (MHz), lo que lo hace altamente sensible a la energía de radio, con frecuencia cercana a la fuente emisora de la señal (actividad de DP). El instrumento utilizado por EEPPM en el laboratorio, es El Corona Probe, Modelo PPM-97 (figura 3) de ADWEL Internacional, el cual consiste en un instrumento portátil a baterías compuesto por una sonda de ferrita, diseñada para medir pulsos negativos de descarga parcial (corona) en un ancho superior a 20 ns, con tasa de repetición entre 20 y 5000 pulsos por segundo (pps).

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La señal de salida de la antena próxima a la barra bajo prueba, es conducida a través de cable coaxial a un amplificador de RF donde el pico de la señal sensible al pico de DP se presenta en un instrumento análogo localizado en el exterior del objeto bajo prueba. El sistema posee un medidor de pulsos pico y un sensor de proximidad tipo antena, capaz de detectar las señales corona, provenientes de la barra de prueba excitada previamente mediante la aplicación de alta tensión en corriente alterna a través de una fuente externa libre de descargas parciales, configurándose así el ensayo electromagnético. La exactitud del instrumento es del 10% para anchos de pulso mayores a 50 ns, bajando a 25% para anchos entre 20 – 25 ns. El instrumento tiene una característica integradora de tal forma que se requieren pulsos repetitivos para alcanzar una escala completa indicativa. Esta característica evita respuestas a pulsos aleatorios. El atenuador de salida cubre el rango pico de 10 hasta 1000 miliamperios (mA) en cinco pasos. Un circuito de voltímetro transistorizado mide el voltaje a través de un capacitor de almacenamiento que recibe cargas aumentadas desde un circuito flip-flop cuando la amplitud del pulso de ingreso exceda el voltaje de carga determinado por un circuito comparativo. La sonda corona posee una sensibilidad de onda de 0.9 V RMS continuo a 5 MHz, permitiendo la lectura a escala completa en el rango de 100mA, para lecturas correctas solo en los pulsos negativos (corona), con una longitud mínima de pulso de 35 ns y lectura inmune a la tasa de repetición de pulsos mayores a 20 pps. El probador electromagnético usado con el PPM-97, es un dispositivo telescópico

sensor en material de ferrita ensamblado en una varilla de 1.0 metro de longitud, implementado para su uso manual; garantizando el nivel de aislamiento a 15 Kv y permitiendo durante las pruebas localizar al operador fuera de la zona energizada.

Figura 6. Sonda Corona

Figura 7. Contenedor con el equipo de alta tensión.

Figura 8. Disposición de la barra y sonda corona

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Figura 9. Ensayos con la sonda corona

INVESTIGACIONES REALIZADAS

En el laboratorio de descargas parciales La Ayurá de EEPPM, se ha venido realizando una serie de experimentos empleando la fuente pulsante y la sonda corona, con el fin de evaluar el desempeño de los sistemas aislantes sólidos empleados en los devanados de los generadores sincrónicos instalados en las centrales de generación y confrontar el comportamiento de los equipos de detección y análisis de las descargas parciales presentes en dichos aislamientos envejecidos. Fuente Pulsante. Los experimentos realizados con este sistema, han permitido simular las condiciones de ensayo necesarias para evaluar la estabilidad del sistema semiconductor (contra corona), graduador (alivio de tensiones) y del aislamiento primario en barras de estator, mediante procesos de esfuerzo mecánico y estimación del grado de envejecimiento mediante la técnica del análisis de las descargas parciales detectadas. Se han realizado varias investigaciones sucesivas, entre las cuales se destacan: Experimento FP1. “Vibración en el cabezal de una barra nueva (FV3), sin ningún tipo de degradación”. Se tomó una barra nueva,

se aplicó una vibración de 116 CPM en el aislamiento, mediante un seguidor de cobre ubicado en la parte superior de la celda de carga con área de contacto de un centímetro cuadrado y un esfuerzo repetitivo de abajo hacia arriba de 227 kgf/cm2 a temperatura ambiente. El seguidor se aplicó sobre la superficie del aislamiento en el cabezal a una distancia de 25 cm medidos a partir de la salida de la ranura y se aplicó la fuerza durante 865 horas. Experimento FP2. “Vibración en el cabezal de una barra usada (FV1), con degradación térmica y alta tensión”. Se aplicó una vibración de 42.5 CPM a temperatura ambiente, aplicando una fuerza de 500lbf durante 5 horas. Experimento FP3. “Vibración en el cabezal de una barra usada (FV2), con degradación térmica y alta tensión”. Se tomó la barra usada, se aplicó una vibración inicial de 25 CPM en el aislamiento y un esfuerzo repetitivo de abajo hacia arriba de 227 kgf/cm2 a una distancia de 29 cm durante más de 10 horas. Luego se cambió la frecuencia de los pulsos a 115 CPM operando por más de siete horas continuas.

Figura 10. Disposición de la barra

sometida a esfuerzos pulsantes en los cabezales

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Experimento FP4. “Vibración en el cabezal de una barra nueva (FV4), sin ningún tipo de degradación” Esta prueba está en proceso de ejecución con las mismas características mencionadas en el experimento FP1, registrándose hasta el momento un nivel de frecuencia de vibración superior a los 3’000.000 de ciclos por minuto a lo largo de más de 400 horas de exposición. Se tiene estimado continuar esta prueba de degradación hasta lograr la falla de la barra. Sonda corona. Los experimentos realizados con la sonda corona le ha permitido a EEPPM corroborar la aplicación de este instrumento en campo y obtener información valiosa acerca de las descargas parciales existentes en los aislamientos sólidos en probetas de ensayo sometidas a procesos de degradación. El propósito de los ensayos es el de evaluar patrones de detección de descargas del tipo corona, mediante el seguimiento de la evolución de las descargas detectadas con equipos convencionales y la sonda RF, con el fin de indagar la aplicabilidad de la sonda corona en el campo, tendiente a usarla para localizar barras en el devanado de armadura que posean altos niveles de descarga tipo corona. Con este propósito se han realizado varias investigaciones sucesivas, de las cuales se resaltan: Experimento SC1. “Corona localizada”. Para este experimento se realizó un orificio sobre la superficie semiconductora en el centro de la barra aumentando el diámetro y la profundidad hasta 3.5mm. Se varió la geometría del orificio y se sometió la barra de prueba a diferentes voltajes entre 8 y 16 Kv en AC.

Figura 11. Orificio sobre la superficie de la barra. Experimento SC2. “Cavidad lateral”. Se simuló la presencia de una barra floja en el núcleo, para lo cual se dejó una holgura controlada de aire entre la barra de prueba y el hierro, se aplicó para la prueba una tensión de 8 Kv en AC. Experimento SC3. “Presencia de punta”. Con el objetivo de obtener un campo eléctrico intenso se construyó una estructura cuyo extremo superior termina en una punta, la cual se excitó con una tensión variable entre 8 y 16 Kv en AC.

Figura 12. Intensificación del campo eléctrico por

presencia de puntas. Experimento SC4. “Contaminación”. Se realizaron pruebas con combinación de polvo de escobillas y aceite hidráulico depositado sobre la superficie de la barra, excitada a una tensión de 8 Kv en AC. Experimento SC5. “Cambio de permitividad en la barra”. Se procedió a simular la reparación del aislante en un agujero realizado adrede en la sección recta de la barra mediante aplicación de resina epóxica inyectada a presión en el agujero.

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Figura 14. Reparación de una barra con resina epóxica.

RESULTADOS

- Las barras que se sometieron a

esfuerzos mecánicos presentaron un patrón típico de degradación en la zona de impacto repetitivo ejercido con el seguidor de la fuente pulsante, propiamente en los cabezales a la salida de la ranura (20 a 30 cm). Se percibe alrededor de las 400 horas de exposición a vibración continua, que las DP’s de polaridad negativa predominan sobre las positivas, lo cual demuestra que las descargas se encuentran en la zona media del aislamiento principal, contrario a lo que debía esperarse. Al cabo de este tiempo se observa un cambio brusco en la magnitud (de 0 mV a 49 mV) como en la cantidad de pulsos (de 39pps a 62pps) para la polaridad negativa, (figura 14).

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Figura 14. Despliegue de actividad de PD en una barra degradada por vibraciones

- El progreso del envejecimiento de las barras sometidas a esfuerzos pulsantes en los cabezales, se evidencia por el incremento de las DP negativas, (figura d).

Figura 15. Falla de la barra por vibraciones

- La actividad de las PD detectadas en las barras excitadas a 8Kv, después de obrar en el sentido de crear un deterioro en el aislamiento principal (Groundwall) y de la cinta semiconductora en el exterior de las superficies de las barras mediante la aplicación de un orificio de volumen controlado, presenta alta actividad de corona en el analizador multicanal PDAD, con magnitudes entre 100 y 150 mV para la polaridad positiva, más sin embargo la sonda corona no logra registrar actividad importante superior a 1 mA. - El retiro de dos capas de cinta semiconductora en la barra, permitió evidenciar corona audible, la cual se

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intensifica considerablemente y se escucha en toda la región donde se ha retirado la cinta. los despliegues del PDA muestran magnitud del pico de descargas positivas del orden de 399 mV y negativas del orden de 386mV. El valor medido por la sonda fue de 10 mA. - La intensificación transversal del campo eléctrico sobre el sistema aislante, originado por presencia de descarga entre la superficie de la barra en la parte recta y la ranura del núcleo por presencia de holgura, permite inferir que cuando se aprieta la barra de prueba en el núcleo, la actividad de PD se reducen en aproximadamente 300 mV en el PDA, señales concordantes con los valores medidos con la sonda corona en la que se observa disminución del valor de 10 mA a 6 mA. - La superficie de la barra contaminada con una capa de aceite hidráulico propicia el incremento de actividad de PD positivas de 34 mV a 234 mV y de las PD negativas a 173 mV, La sonda presenta una leve lectura de 4 mA medida en los codos. La contaminación de la barra con aceite mezclado con polvo de escobillas no presenta cambios significativos en la lectura de la sonda corona, existiendo evidencia de actividad corona en el equipo PDA.

Figura 16. Despliegues antes y después de aplicar

aceite sobre la barra.

- Al ubicar una punta aterrizada en la vecindad de un orificio de ¾” de diámetro y 3 mm de profundidad realizado en la barra, sin presencia de hierro a su

alrededor. Se presentó descarga visual a los 6 KV con una amplitud en las señales positivas de 1500 mV a los 10 pps. (figura 17). Esta situación fue plenamente detectada por la sonsa corona la cual se desvió al full de la escala.

Figura 17. Despliegue punta sobre cinta

semiconductora. - Al energizar la barra reparada por inyección de resina epóxica en el aislamiento. Se evidencia fuerte actividad de corona tanto en el analizador PDA como en el probador corona, en la vecindad de una punta, se presenta la disrupción a 4 Kv de AC. -Durante los ensayos, se corroboró la ausencia de actividad de descarga parcial perceptible en el rango de voltaje de 4 a 4.5 Kv en A.C.; al aumentar el voltaje a 5 Kv y por encima de este valor, la actividad de la corona fue medida con el medidor de pulsos pico.

CONCLUSIONES. - El experimento de la barra con holgura permite corroborar la importancia del recuñado como práctica preventiva en los estatores, los devanados flojos son fuente de actividad de corona en los devanados. - La vibración es uno de los esfuerzos mecánicos que más afecta el aislamiento de las barras estatóricas en la zona del cabezal. Este factor sumado con la aplicación de tensiones elevadas, se encarga de acelerar el proceso de envejecimiento debido a la

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creación de descargas entre la superficie del aislamiento y la ranura del estator. - Las descargas diferentes a corona, no pueden ser detectadas por la sonda RF. - La comparación de las mediciones PD del tipo corona, obtenidas con el PDA y con la sonda RF, permiten afirmar que la sonda RF solo es útil para detectar fallas ya presentes en el aislamiento y no para realizar el seguimiento y caracterización de las descargas en el aislamiento. La investigación permite corroborar que la aplicación principal de la sonda RF es la localización exacta de la descarga parcial corona, por lo tanto este instrumento combinado con el PDA en el campo, constituye una herramienta fundamental para la determinación de las barrasen el devanado que presentan mayor actividad de corona. - Las simulaciones en el laboratorio realizadas en las barras de ensayo mediante pruebas con incrementos de 500 voltios a partir de 5 kV hasta llegar 10 kV, permiten afirmar que el nivel de voltaje que provee las lecturas más confiables al emplear la sonda corona es 7.6 Kv; por lo que se recomienda emplear como voltaje de prueba la tensión de 7.0 a 7.5 Kv AC. - No se recomienda realizar reparaciones expeditas con resina epóxica para corregir perforaciones o defectos en la sección recta de las barras sometidas a tensiones superiores o iguales a 13.8 Kv. - La contaminación de las superficies de las barras, contribuye a incrementar el nivel de descargas parciales tipo corona en los devanados estatóricos.

REFERENCIAS

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Juan Carlos Toro Londoño. Ing. M.Sc. Electricista de la, Universidad Nacional de Medellín, 1978. Magíster en Sistemas de Generación de Energía Eléctrica de la Universidad del Valle, 2003. Profesor de Cátedra en la Universidad Pontificia Bolivariana. Se desempeña como Ingeniero del Equipo Análisis Técnico del Área Ingeniería de la Subgerencia Operación Generación de las Empresas Públicas de Medellín E. S. P. Medellín – Colombia. jtorol@eeppm.com jctoro@epm.net.co

Héctor Diego González Sánchez. Ingeniero M.Sc. Electricista, Universidad del Valle, Cali, 1998. Escalafón Docente 6, Universidad San Buenaventura, 1999. Magíster en Sistemas de Generación de Energía Eléctrica de la Universidad del Valle, 2003. Se desempeña como Ingeniero del Equipo Análisis Técnico del Area Ingeniería de la Subgerencia Operación Generación de las Empresas Públicas de Medellín E. S. P. Medellín – Colombia. hgonzale@eeppm.com