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ENSAYOS PARA EL DIAGNOSTICO DEL ESTADO DE LAAISLACION EN ALTERNADORES.

Ing. Jorge Fernández Daher, Ing. Daniel Slomovitz,Laboratorio de UTE

Resumen:

Este trabajo describe las distintas técnicas deensayo utilizadas para diagnosticar el estado de laaislacíon estatárica de alternadores en centraleshidráulicas y térmicas. Se detallan técnicas clásicasampliamente difundidas a nivel mundial. Se introducennuevas técnicas digitales basadas en adquisición yprocesamiento de datos estando aún en etapas deinvestigación y desarrollo.

,•...·e presenta un resumen de resultados obtenidosen una serie de ensayos realizados durante los últimosdos años en altemadores de centrales de úTE. Esposible estimar el estado actual de dichos alternadoresbasándose en resultados de los ensayos y realizandocomparacion :s con resultados de ensayos en otrospaíses .

1. Introducción

Durante muchos años los operadores demáquinas generadoras han demostrado un alto interés enlos ensayos de alta tensión tanto alterna como continua.La mayoría de los investigadores han concluido queningún ensayo por si sólo es Suficiente para poderdeterminar el estado de la aislación de un alternador.Independientemente de la gravedad de la falla en unalternador obviamente es muchísimo más conveniente silas paradas pueden ser programadas y se evitan lassalidas de servicio intempestivas. Una forma de reducireste problema es la introducción de rutinas periódicas deensayos no destructivos que permitan detectar cambiossignificativos en el estado de la aislación. Estas rutinas

Trabajo presentado en e 1 IV ENCUENTRODE POTENCIA, INTRUMENTACION yMEDICIONES, de IEEE-Uruguay, Capitu 10Power-I&M, Octubre 1996, Montevideo,Uruguay.

permiten también la postergación de rebobinados deacuerdo a la velocidad de deterioro de la aislación.

Se han desarrollado una serie de técnicas deensayo en continua y alterna de 50 Hz descriptas ennormas y procedimientos ampliamente difundidos. Losensayos en alta tensión continua son interesantes por elpequeño volumen del cquipamiento necesario. A su vezlos resultados son sensibles a la contaminación superficialde aisladores de las barras de salida de máquina. LosEnsayos a 50 Hz reproducen los esfuerzos eléctricos a loscuales está sometido el alternador en servicio perorequieren una fuente de alimentación de mayor potencia.Los investigadores hall dedicado mucho esfuerzo endesarrollar ensayos no destructivos adecuadosrcconociendo'sus limitaciones y los riesgos de perforacióndurante los mismos.

Estos ensayos se realizan sobre las distintas fasesdel alternador en forma individual O sobre el conjunto detodas ellas. Los ensayos en continua requieren de uno atres días dependiendo de la técnica utilizada. Los ensayosde alterna se realizan en el transcurso de algunas horaspermitiendo la vuelta al servicio de la máquinarápidamente. En general la máquina se quita de servicioen la noche anterior, se quitan algunas tapas delalternador y se dcsconetan las barras de salida lo máscerca posible de la máquina. Los ensayos se realizan alotro día con los arrollados en frío y se vuelven a colocarlas tapas y reconectar las barras al final del día. CUandose produce una parada más prolongada, durantemantenimientos anuales, es posible realizar los ensayosde continua. Las fases de la máquina se conectan a tierrapara descargar el dieléctrico antes de la realización de losensayos y se ensaya una fase por día. Este tiempo puedereducirse utilizando técnicas distintas que desprecian losefectos de las corrientes residuales debidas a la carga deldicléctri co. Se describen a continuación las distintastécnicas de ensayo y la evaluación de los resultados.

2. Ensayos en continua

2.1 Indice de polarización

Antes de energizar un alternador es necesariodeterminar el grado de contaminación y humedad paraevitar un riesgo Umecesario de falla. Esta condK:ión se

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traduce en un aumento de la corriente de fuga. Esto puededeterminarse mediante un ensayo de resistencia deaislación y cálculo del índice de polarización. Este índicese calcula haciendo el cociente entre la corriente de fugaal minuto de aplicada la tensión y la corriente a los 10minutos. Este ensayo no permite discernir si el problemaes superficial o interno de la aislación del alternador.Cuando se obtiene un valor bajo de índice de polarizaciónprimero debe realizarse una buena limpieza y secado. Sila aislación no presenta problemas la limpieza hace queel índice de polarización aumente a valores normales. Losvalores normales dependen del tipo de aislación. Engeneral índices del orden de 3 son buenos paraaislaciones bituminosas )' 8 para aislaciones epóxicas.

2.2 Resistencia de aislación

Este ensayo se realiza simultáneamente con elíndice de polarización. Se mide la corriente al minuto deaplicada la tensión y se calcula la resistencia de aislación.Este es un valor que depende de la corriente de fuga y losvalores normales son distintos según el tipo de aislación yel tamaño del alternador. Existen normas que indican losvalores mínimos de resistencia de aislación (1).

2.3 Corriente de absorción

Luego de un tiempo determinado de aplicada latensión se cortocircuita el bobinado a tierra y se mide lacorriente de descarga Se mide el valor de la corriente dedescarga al minuto de cortocircuitado el arrollado. Parapoder comparar esta corriente en distintos alternadores esnecesario normalizar el valor según la tensión de ensayoy la capacidad de la máquina. Existen criterios paradecidir sobre el estado de la aislación de acuerdo al valornormalizado obtenido (2).

2.4 Desvío de la ley de Ohm

> Este ensayo da una idea de magnitud de lasfugas en las cabcz.as de bobina. Estas son fugas quenormalmente no siguen la le)' de Ohm. El ensayo consisteen determinar para cada escalón de tensión dado lacorriente de conducción relevando la curva 1 en funciónde V. El ensayo se continua hasta llegar a 2 veces latensión nominal de la máquina o hasta que la pendientede la curva llega a 5. Este limíte es por razones deseguridad para no perforar la aislación aunque esto esrelativo ya que se ha llegado a valores superiores sinproblemas. El relevamíento de la curva de corriente sehace mediante la aplicación sucesiva de escalones detensión de la misma amplitud. Existen dos métodos, unosugerido por EDF (2] Y otro por IEEE [3]. La diferenciafundamental entre ambos es que el primero determina lacorriente de conducción de cada escalón restando de lacorriente medida la suma de las corrientes de absorcióngeneradaspor los escalooespr~ mientrasque d

método de IEEE no descuenta nada. En general lasdiferencias entre ambos métodos no son importantessiendo el método francés de aplicación más complicadapor los cálculos.

3. Ensayos en alterna.

Las caracteristicas dieléctricas de la aislación deuna máquina pueden ser representadas por unacombinación en paralelo de una conductancia y unacapacidad. Sus valores se mantienen prácticamenteconstantes sobre el rango de tensiones hasta la tensión deservicio. Sin embargo si el dielectrico contiene cavidadeshuecas, al aumentar la tensión aplicada por encima delvalor necesario para que aparezcan descargas parciales,se produce un aumento de la capacidad y de laconductancia. La pérdida de energía en la conductanciaincremental es aquella que se disipa por las descargasparciales.

3.1 Factor de disipaci6n

Existen dos métodos para medir la energía )' lacarga integrada de las descargas parciales descriptos enuna norma ASTM (4].

En el primer método se realiza una medidainicial de capacidad ~. factor de disipación a una tensi6npor debajo de la tensión de aparición de descargasparciales. Luego se aumenta la tensión hasta la tensión deensayo )' se realiza otro juego de medidas. A partir deambos juegos de medidas es posible calcular la pérdida deenergía debida a las descargas parciales. Este ensayo serealiza con puentes convencionales de medida detangente O, El incremento del factor de disipación esusado como un índice de la intensidad de las descargas Yse escribe como II tg O.

En el segundo método se utiliza un circuito depuente especial que es baJanooJdo a una tensión inferior ala tensión de aparición de las descargas parciales. Luegose aumenta la tensión hasta la tensión de ensayo pero elpuente no se vuelve a balancear, Toda tensión dedesbalance en los terminales del detector se muestra enun osciloscopio junto con una muestra de la tensión deensayo. Se forma una figura que se aproxima a unparalelogramocuya área es una medida de la pérdida deenergia debida a las descargas parciales.En este puente secoloca el especimen bajo ensayo en serie con uncondensador de baja tensión y se conecta esta rama a unafuente de tensión sinusoidaI. Otras cbs ramas del puenteproveen una tensión para lograr el balance a baja tensiónde la tensión en bornes del condensador de baja tcDSiÓll.Cuando se aumenta la tensión las descargas se integranpor el condensador de baja tcDsi6n aparecieDdo unatensión de deSbalance en sus bomes. Esta tensióncontrola lá deflexi6n vaticaI del haz del· osciloscopiomientras que una tensi6n en fase con la tcDsióD de ensayocontrola la dcflexióo lIorizoatal ()aanctJ d JD:I* aaá

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balanceado la imagen es una línea horizontal. Alaparecer descargas la imagen se aproxima a unparalelogramo cuya altura representa la suma dedescargas parciales en medio ciclo)' el área a la energíadisipada por las descargas por ciclo. Si el paralclogramoestá girado o levemente distorsionado es posible hacer unpequeño ajuste en el puente para compensar por loscambios en la capacidad )' tg o por efectos distintos a lasdescargas.

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figura 1

La calibraci6n del eje vertical del osciloscopio serealiza inyectando una carga conocida y midiendo ladcflexíón En el eje horizontal los cálculos surgen a partirde relaciones de transformación 'en la medida de latensión de ensayo. Es importante que la fuente utilizadatenga potencia suficiente para poder excitar a la muestray que está libre de distorsión harmónica ya que ésto haceque no se pueda formar una línea al balancear el puente.

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3.2 Descargas parciales

Este ensayo consiste en medir el valor de lasdescargas a través de un condensador de acople al iraumentando la tensión de ensayo. Se registra el valor detensión al cual comienzan a aparecer las descargas Ytambién el valor máximo de las descargas a la tensión deensayo. Para determinar este valor es necesario que lasdescargas se produzcan a un ritmo casi permanente y seevalúa haciendo un promedio visual. aMamente esnecesario contar con personal con amplia expcrienci.apara poder dar una estimación acertada de las descargas.Existe otro método sugerido por EDF en el que losanchos de banda son distintos y se realiza una integracióninformando valores rms de desqu-&ªS. Los rcsul~

arrojados por ambos métodos no son comparables siendoeste último muy dependiente del equipamiento utilizado.Para la medición del valor máximo de las descargassegún el primer método se hace pasar la señal por unfiltro de banda ancha. En el método francés se aplicanfiltros de banda angosta y se calcula el valor cuadráticomedio.

3.3 Técnicas digitales

Para que la evaluación de las descargas parcialessea más independiente de la experiencia del operador esque se están desarrollando a nivel mundial nuevastécnicas basadas en procesamiento digital de las señalesde descargas. Estos métodos también perrnitirlandeterminar con mejor precisión el tipo de defecto que sepresenta en el alternador analizando nuevos parámetros.Es posible discriminar la cantidad de descargas según sumagnitud y fase relativa a la tensión de ensayo. Estasdistribuciones se pueden realiz..ar fácilmente adquiriendolos datos con osciloscopios digitales l procesando lainformación con potentes programas de análisis encomputadora. Las últimas tendencias (51 (6) proponengraficar la distribución acumulada en una gráfica deWeibuIl. Porcesos de descargas parciales internas secorresponden con líneas rectas mientras que descargas enranuras o superficiales cambian la forma de la gráfica. Enla figura 2 se muestra la distribución para barras condescargas internas normales )" la figura 3 muestra el casode barr-as con descargas superficiales.

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4. EnSH)'OSen máquinas de UTE

Desde hace aproximadamente dos años se vienenrealizando ensayos periódicos en los alternadores de lascentrales hidroeléctricas de UTE. La inquietud surge delos responsables de la operación de las centrales parapoder determinar el estado actual de la aislación de susalternadores en vista a poder estimar la "ida útilremanente de la máquina Esto es muy importante ya quepermite programar un cambio de bobinados en elmomento económicamente óptimo.

4.1 Descripción de los alternadores

UTE cuenta en la actualidad con 3 centraleshidroeléctricas, Gabriel Terra, Rincón de Baygorria yConstitución. En la tabla 1 se muestran las caracteristicasde los alternadores.

Central alternadores tensión (k V) potencia(M VA)

G.Terra 4 13,8 32

Bavgorria 3 7 36

Constitución 3 15 111

tabla 1

4.2 Ensayos

La mayoría de los ensayos se realizaron en losalternadores de la central de Baygorria teniendo ya parauno de los alternadores dos ensayos completos y un'ensayo completo en los restantes. Los valores promedioencontrados se muestran en la tabla 2.

Central indice R aisl, ley de ~ tg ó nivel depolariza (Mohm) ohm (lO') desear-

ción (pen- entre gasdiente) 0.6y (ne)

0.2 Un)

Gabriel 3 130 2 - 90Terra

Baygo- 3 450 2,3 3 20rria

Constitu 8 1.400 3,7 - --ción

tabla 2

Estos alternadores muestran un buen estado dela aislación. En la central Constitución se bao realizadosólo ensayos en continua en 2 de sus máquinas tambiéncon buenos resultados. En la Central Gabriel Terra no sebao realizado ensayos que puedan ser útiles para su

mantenimiento prcdictivo ya que esta central está bajo unproceso de renovación.

También se tomó un alternador para efectuar losensayos pero con la intención de verificar los márgenesde seguridad de los mismos En el ensayo del desvío de laley de Ohm se aumentó la tensi6n hasta más de 2 veces latensión nominal sin producirse ni perforación nicontornco y manteniéndose la corriente en valores bajos.Posteriormente se aplicó tensión alterna de 30 kV, muysuperior a la nominal, sin producirse perforación. Esposible ver que a pesar de ser máquinas al final de suvida útil soportaron los esfuerzos a que fueron sometidasen estas sobretensiones. Esto indica que los márgenes deseguridad impuestos en los ensayos son adecuadosrepresentando un riesgo mínimo para la aislación delalternador.

Es posible ver de los resultados obtenidos en losalternadores de UTE, que el estado de estas máquinas esbueno.

5. Conclusiones

Se han presentado una serie de técnicas deensayo en alternadores que permiten determinar el estadode su aislación. Ninguna de estas técnicas por si solapermite dar un diagnóstico, sólo el conjunto de resultadospermite hacer lo. El desarrollo de nuevas técnicaspermitirá hacer una evaluación más precisa del tipo defalla incipiente presente en una máquina.

Es importante la realización de un programa deensayos no dcstructivos periódico para poder identificartendencias en la degradación de la aíslación. Estotambién permite la reducción de salidas de servicio noplaneadas y la renovación del bobinado en el momentoóptimo desde el punto de vista económico. Esto se estáaplicando en los alternadores de lITE perrnitiéndole a losresponsables tomar decisiones más acertadas.

6. Referencias

(I}IEEE std. 43-1974(2J Informe EDF rcf: PNAAI/LL(3] Norma IEEE de desvío de la ley de ohm(4J Norma ASlM 382-75(5J "Ensayos para el mantenimiento de máquinaseléctricas basados en técnicas digitales", Jorge Femández,Daniel Slomovitz, Walter Mandl, CEDE 94, BuenosAires.(6J "PD analysis of rotating machines", A Contin, G.Rabach, IEEE Trans. E1ect. Insul., v28, Feb 1993,pp. 1033-1042.17J "Diagnostic testing og hígb-voltage machineinsulation", 1. S. Simons, lEE Proceedings, vol. 127,Pt.B, No. 3, May 1980_

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