TECNICA DE LA ALTA TENSION

CAPITULO 8 - ESPECIFICACIONES DE ENSAYOS EN ALTA TENSION

Consideraciones básicas

El objetivo principal de someter los equipamientos a determinados ensayos es demostrar si ellos son aptos para soportar los requisitos especificados. De esta forma, se tiene una cierta garantía de que los equipamientos podrán operar satisfactoriamente en las condiciones reales del sistema, simuladas durante los ensayos.

Los ensayos a que cada equipamiento deberá ser sometido están establecidos por las Normas referentes a cada equipamiento. Las normas están preparadas por entidades especializadas, normalmente con la colaboración de fabricantes y usuarios, estableciendo todas las características eléctricas, métodos de ensayo y de cálculo de ciclos de trabajo que representan lo que el equipamiento deberá realizar en servicio. Evidentemente, esta normalización tiene efecto directo en la reducción del costo de los equipamientos.

En este capítulo, haremos referencia a los tipos de ensayos a que pueden ser sometidos los equipamientos eléctricos, como así también un vistazo general de los ensayos dieléctricos para los distintos tipos de equipamientos. Los ensayos requeridos en una especificación técnica (ensayos de tipo, de rutina y especiales) están relacionados con cada uno de los equipos en particular.

Clasificación de los ensayos

Los ensayos se pueden clasificar básicamente en:

A. Ensayos de rutina

Son los ensayos que deben ser realizados en todas las muestras que representan los equipamientos comprados, o en una determinada cantidad de la partida total, con el fin de verificar la calidad y la uniformidad de fabricación y de los materiales utilizados en la fabricación.

B. Ensayos de tipov

Son los ensayos realizados apenas en uno o dos equipamientos idénticos o de tipo semejante, con el fin de verificar una determinada característica. Se trata en general de ensayos costosos, o de difícil interpretación.

C. Ensayos especiales

Son los ensayos que la norma pertinente no considera ni de tipo ni de rutina, requiriendo para ser realizados un acuerdo previo entre fabricante y comprador.

D. Ensayos de mantenimiento

Son los ensayos realizados con equipamientos que ya están en servicio, a fin de verificar su estado de conservación después de un cierto período de operación, o a la primera puesta en servicio los eventuales posibles daños resultantes del transporte y de la instalación.

Estos ensayos se realizan con niveles inferiores de solicitación que corresponden a equipamientos nuevos.

E. Ensayos de campo

Estos ensayos son realizados para evaluar el desempeño global de un sistema eléctrico, incluyendo la operación y ajuste de los sistemas de protección y control.

Generalidades

En la norma IEC 60-1: "High-Voltage test techniques" Parte 1, se establecen las definiciones, prescripciones y modalidad seguida para los ensayos de materiales cuya tensión máxima Um es superior a 1 kV.

El campo de aplicación cubre:

Su objeto es:

Características referentes a la descarga disruptiva y tensión de ensayo

Pueden requerirse a veces variantes de los procedimientos de ensayo para obtener resultados reproducibles y significativos, que dependen de las particularidades del equipo que se ensaya.

El término descarga disruptiva (o rotura del dieléctrico), es aplicable a los fenómenos asociados con la falla de la aislación bajo condiciones de solicitación eléctrica, en la cual la descarga cortocircuita completamente la aislación ensayada, reduciendo la tensión aplicada entre los electrodos a un valor prácticamente nulo. Es aplicable a la falla de dieléctricos sólidos, líquidos y gaseosos o sus combinaciones.

Se pueden producir descargas fugitivas durante las cuales el objeto en ensayo es momentáneamente cortocircuitado por un encendido o un arco. La tensión en bornes del objeto en ensayo entonces se reduce momentáneamente a cero o a un valor muy pequeño. Según las características del circuito de ensayo y del objeto el dieléctrico puede restablecer sus características, asimismo, la tensión de ensayo puede ser superada. Esto en principio debe considerarse como una descarga disruptiva.

El término "salto de chispa" (sparkover) se utiliza cuando una descarga disruptiva se produce en un medio gaseosos o líquido.

El término "contorneo" (flashover) se utiliza cuando una descarga se produce en la superficie de un dieléctrico en un medio gaseoso o líquido.

El término "perforación" (puncture) se utiliza cuando una descarga disruptiva se produce a través de un diléctrico sólido.

Una descarga disruptiva en un dieléctrico sólido conduce a la pérdida permanente de su característica dieléctrica en cambio en un dieléctrico líquido o gaseoso la pérdida puede ser solamente temporaria.

Descargas no disruptivas como aquellas entre electrodos o conductores pueden producirse sin reducción de la tensión a cero. Esta situación no debe considerarse como una descarga disruptiva a menos que un Comité de Estudios pertinente especifique lo contrario.

Ciertas descargas no disruptivas son denominadas "descargas parciales" que son tratadas por la Publicación IEC 270: "Partial Discharge Measurements".

Características presuntas de una tensión de ensayo

Las características presuntas de una tensión de ensayo en la cual se produce una descarga disruptiva, son aquellas que se hubieran tenido si no hubiese ocurrido ninguna descarga.

Características estadísticas de las tensiones de descarga disruptiva

Las tensiones de descarga disruptivas están sujetas a variaciones aleatorias y, en general, se deben realizar un cierto número de observaciones para determinar el valor de la tensión que tenga un significado estadístico.

Los procedimientos de ensayos, descriptos en esta norma, están generalmente fundados en las condiciones estadísticas, y la información sobre la evaluación estadística de los resultados de los ensayos se dan en el Anexo A de este documento.

Probabilidad de descarga disruptiva de un objeto ensayado

La distribución de la rigidez del aislamiento de un componente de los sistemas eléctricos, por ejemplo de una cadena de aisladores, se determina mediante ensayos en los laboratorios de alta tensión, aplicando un impulso de tensión de polaridad y forma definidas, cuyo valor pico se va incrementando lentamente para cada nivel de tensión.

El número de descargas disruptivas que se presentan para cada nivel de tensión dividido por el número de veces que se aplicó esta solicitación se denomina probabilidad de descarga p.

La curva de distribución acumulativa 1 que se indica en la figura 143 muestra a modo de ejemplo la probabilidad p de descarga disruptiva en función de la tensión aplicada U, mientras que la curva 2 es la probabilidad q de soportar la descarga, siendo q igual a (1-p). Se puede demostrar que ambas curvas satisfacen a la denominada distribución normal o gaussiana.

ALTA TENSION

El punto p = 50% tiene particular importancia, indica que de un número total de impulsos aplicados, la mitad de ellos no será resistido por el objeto ensayado.

La abscisa se puede indicar en kV o bien con la variable normalizada ALTA TENSION, siendo ALTA TENSION la tensión presunta que tiene una probabilidad 50% de producir una descarga disruptiva, para el ejemplo es igual a 300 kV, n el número de ensayos y ALTA TENSION la desviación estándar que para este ejemplo resulta s = 10 kV.

La ventaja de la distribución normal o gaussiana consiste en que conocida la tensión U50 y la desviación estándar se puede estimar la probabilidad de descarga disruptiva para cualquier tensión.

Por ejemplo para el caso analizado se puede determinar el valor de la tensión de descarga U10% o la tensión resistida U90% mediante la relación:

ALTA TENSION

Requerimientos generales para la modalidad de los ensayos

Los procedimientos de ensayos aplicables para tipos particulares de objetos a ensayar, por ejemplo la polaridad que se aplicará, el orden preferencial si las dos polaridades son aplicables, el número de aplicaciones y el lapso entre cada aplicación, están especificados para cada tipo de aparato, teniendo en cuenta factores tales como:

Disposiciones generales del objeto ensayado

En el momento del ensayo, el objeto a ensayar debe estar completo, con todos sus accesorios, y debe haber sido construido normalmente (para ser representativo) como otros objetos similares.

Las características disruptivas del objeto ensayado pueden afectarse por la disposición del montaje del objeto (por ejemplo distancia del objeto con otros vecinos con tensión, o la proximidad de estructuras a tierra, por su altura con respecto al suelo, por la disposición de los conductores que alimentan con tensión). Las condiciones generales deben ser especificadas por cada tipo de aparato.

Ensayos a seco

El objeto a ensayar debe estar seco y limpio. Si no se especifica lo contrario se debe realizar a temperatura ambiente y la modalidad de aplicación de la tensión se indica en la norma IEC 60-1.

Ensayos de polución artificial

Los ensayos de polución artificial suministran información del comportamiento de la aislación externa en condiciones de polución que se tienen en servicio.

Se indica como se debe preparar el objeto a ensayar, la modalidad de los ensayos, los métodos para simular la contaminación como así también los grados de polución.

Condiciones atmosféricas

Las condiciones atmosféricas normales son:

Factores de corrección atmosféricos

La descarga disruptiva de una aislación externa depende de las condiciones atmosféricas. Habitualmente, la tensión de contorneo para un intervalo de aire se incrementa con el aumento de la densidad del aire o de la humedad. Sin embargo cuando la humedad relativa excede el 80%, la tensión de contorneo se vuelve irregular, especialmente cuando el contorneo se produce a lo largo de una superficie aislante.

Aplicando factores de corrección, la tensión de ensayo medida en ciertas condiciones de temperatura, presión y humedad, se deben referir al valor de tensión que se debe utilizar en condiciones normales

ALTA TENSION

siendo Kt = k1 ´ k2 donde k1 es el factor de corrección de densidad del aire (altura sobre el nivel del mar) y k2 el factor de corrección de humedad.

El factor de corrección de la densidad del aire k1 depende de la densidad relativa del aire d y se puede expresar por:

ALTA TENSION

La densidad relativa del aire se obtiene por:

ALTA TENSION

donde t y t0 están dadas en grados centígrados y la presión atmosférica b y b0 en kilopascal o milibar.

El factor de corrección por humedad k2 se puede expresar por:

ALTA TENSION

donde k es un parámetro que depende del tipo de tensión aplicada y se obtiene en función de la relación entre la humedad absoluta h y la densidad relativa d de la figura 144.

ALTA TENSION

Los factores de corrección dependen del tipo de descarga y para ello se considera el parámetro:

ALTA TENSION

donde UB es la tensión de descarga 50% (medida o estimada) para las condiciones atmosféricas reales, en kV, L la distancia mínima de descarga en metros, con los valores reales de densidad del aire d y de k. En el caso en que no se disponga de la tensión estimada de 50%, se puede suponer que UB es igual a 1,1 veces la tensión de ensayo.

Los valores aproximados de los exponentes m y w se pueden obtener de la figura 145.

ALTA TENSION

Ensayos con tensión de impulso

Como hemos ya visto un impulso es una tensión o una corriente transitoria aperiódica aplicada intencionalmente que habitualmente crece rápidamente hasta alcanzar un valor de cresta, y después decrece más lentamente hasta cero.

Para casos especiales, los impulsos que se utilizan tienen el frente con crecimiento lineal, o transitorios de forma oscilatoria o aproximadamente rectangular.

El término "impulso" debe distinguirse del término "sobretensión", que como hemos ya visto, se refiere a fenómenos transitorios que se producen en los equipos eléctricos y en las redes en servicio.

Recordamos la distinción entre impulso atmosférico y de maniobra en cuanto a la duración del frente. Los impulsos con una duración de frente de hasta 20 m s se los considera como impulsos atmosféricos, y aquellos con una duración mayor impulsos de maniobra.

Generalmente, los impulsos de maniobra se caracterizan también por una duración total considerablemente mayor que los impulsos atmosféricos.

Estas definiciones son aplicables a impulsos sin oscilaciones ni rebasamientos o para la curva media trazada a través de las oscilaciones y rebasamientos.

Definición de onda de impulso atmosférico

Una onda de impulso plena es aquella que no se interrumpe por una descarga disruptiva como se indica en la figura 146.

ALTA TENSION

En la figura se observa como se procede para determinar el tiempo T1 de duración del frente de la onda y el tiempo T2 (hemivalor) de duración de la cola.

Una onda de impulso atmosférico cortada es aquella que se interrumpe bruscamente por una descarga disruptiva provocando una brusca caída de tensión, prácticamente a cero como se indica en la figura 147 y figura 148.

ALTA TENSION

El colapso se puede producir en el frente, en la cresta o bien en la cola.

La duración hasta el corte es un parámetro convencional definido como el lapso entre el origen convencional O1 y el instante de corte.

Tensión de ensayo

El impulso atmosférico normalizado es un impulso pleno con una duración de frente de 1,2 m s y una duración hasta el hemivalor de 50 m s, denominado impulso 1,2/50.

No es fácil lograr las duraciones del impulso por lo que se aceptan tolerancias entre los valores especificados y los valores realmente medidos:

Se debe distinguir estas diferencias de los errores de medición que son las diferencias entre los valores realmente medidos y los valores verdaderos.

El impulso atmosférico cortado normalizado es un impulso cortado mediante un explosor (gap) exterior, después de 2 a 5 m s. Otros tiempos de corte pueden ser especificados para algunos casos especiales.

En razón de las dificultades prácticas concernientes a las mediciones, la duración de la caída de tensión durante el corte no ha sido normalizada.

Definición de onda de impulso de maniobra

Las características de una onda de maniobra implica algunos parámetros adicionales que se indican a continuación y que se ilustran en la figura 149.

ALTA TENSION

El tiempo de pico Tp es el lapso entre el origen real y el instante en que la tensión alcanza el valor de cresta.

El tiempo hasta el hemivalor T2 es el lapso entre el origen real y el instante en que la tensión alcanza la mitad de su valor de cresta.

El tiempo por encima de 90% Td es el lapso durante el cual la tensión excede 90% de su valor de cresta.

El tiempo a cero T0 es el lapso entre el origen real y el instante en el cual la tensión pasa por cero por la primera vez.

Tensión de ensayo

El impulso de maniobra normalizado denominado impulso 250/2500 es un impulso con una duración hasta la cresta de 250 m s y una duración hasta el hemivalor de 2500 m s.

También en este ensayo es difícil lograr las duraciones del impulso, aceptándose las siguientes tolerancias entres los valores especificados y los valores realmente medidos:

En ciertos casos, por ejemplo con objetos de baja impedancia, puede resultar difícil ajustar la forma del impulso para quedar dentro de los valores de tolerancia recomendados. En estos casos, otras tolerancias u otras formas de onda pueden ser especificadas para un equipo en particular.

La tensión de descarga disruptiva para grandes intervalos de aire puede influenciar la duración del valor de cresta y del hemivalor del impulso de maniobra.

Coordinación de la aislación

Criterio de comportamiento

El comportamiento del aislamiento de un sistema se juzga en base al número de fallas de la aislación en servicio. Las fallas pueden tener consecuencias diferentes según el lugar del sistema donde se producen. Por ejemplo, en un sistema mallado, un defecto permanente en una línea o un recierre no exitoso de un interruptor de línea debido a una sobretensión de frente lento no son tan graves como una falla en barras.

En consecuencia, el índice de falla Ra admisible en un sistema puede variar de un punto a otro, dependiendo de las consecuencias de la falla en cada uno de esos puntos.

Las estadísticas de fallas concernientes a los sistemas en servicio y a los proyectos de diseño teniendo cuenta de estas estadísticas suministran ejemplos de índice de fallas admisibles.

Para aparatos, el índice de fallas Ra debido a sobretensiones se encuentra entre 0,001/año y 0,004/año en función de los tiempos de reparación. Para líneas aéreas, el índice de fallas admisible, debido a descargas atmosféricas varía entre 0,1/100 km/año y 20/100 km/año (el valor mayor se acepta para líneas de distribución).

Las cifras correspondientes para el índice de fallas admisible debido a sobretensiones de maniobra se encuentra entre 0,01 y 0,001 por maniobra.

Los valores para índices de fallas admisibles deberían encontrarse dentro de estos órdenes de magnitud.

Procedimientos de coordinación del aislamiento

La determinación de los valores de coordinación consiste en establecer los valores más bajos de tensiones soportadas por la aislación, que satisfaga los criterios de comportamiento del aislamiento, cuando estas aislaciones son sometidas a sobretensiones representativas de las condiciones de servicio.

Existen dos métodos de coordinación del aislamiento respecto a las sobretensiones transitorias: el determinístico y el estadístico.

Método determinístico

Este método se utiliza generalmente cuando no se dispone de información estadística proveniente de ensayos para determinar el índice de fallas del equipamiento en servicio.

Con este método, no se hace referencia al índice de falla eventual del equipamiento en servicio.

Método estadístico

Este método está basado en la frecuencia de ocurrencia de una causa dada, la distribución de probabilidad de sobrentensiones relativa a esta causa y la probabilidad de descarga de la aislación.

Igualmente se puede determinar el riesgo de falla combinando simultáneamente, para cada aplicación de tensión, las probabilidades de descarga y de sobretensión teniendo en cuenta la naturaleza estadística de las sobretensiones y de la descarga mediante procedimientos adecuados, por ejemplo utilizando los métodos de Monte-Carlo.

Se puede obtener el índice de indisponibilidad del sistema debido a fallas del aislamiento repitiendo los cálculos para diferentes tipos de aislamientos y diferentes configuraciones del sistema.

Particularidades de la tensión soportada a impulso de maniobra

La probabilidad de descarga varía con la tensión con una distribución que, para los fines prácticos de diseño, se puede considerar Gaussiana.

Para el diseño de la aislación de una línea o estación, se debe determinar el valor de s (desviación estándar) con la mejor exactitud posible.

Sin pretender profundizar el tratamiento matemático de este fenómeno, consideraremos como ejemplo una línea de transmisión para la cual se estudia mediante el uso del ATP, las sobretensiones que se presentan para un cierto número de energizaciones (por ejemplo 100), representándose la densidad de probabilidad de sobretensiones f0(U) que se indica en la figura 150.

ALTA TENSION

Se debe además realizar con los aisladores que se utilizan para la línea, ensayos de laboratorio para determinar la probabilidad de descarga PT(U) que también se indica en la figura.

Se denomina densidad de riesgo de falla al producto de ambas funciones y que se indica en la figura como dR/dU, finalmente el área A de esta característica se conoce como riesgo de falla.

Este último debe ser lo más bajo posible, en particular si se tiene en cuenta que la línea puede estar formada por un número grande de aislaciones en paralelo, y que basta que una falle para que la línea salga de servicio.

El criterio expuesto es aplicable a aislaciones del tipo regenerativo, cuando la aislación no puede regenerarse el aislante debe ser capaz de soportar la sobretensión sin presentar ninguna descarga.

Los equipamientos cuyos aislamientos no regenerativos son las partes principales del equipamiento (transformadores y reactores) son ensayados con un número reducido de impulsos: 1 pleno de amplitud reducida y 3 plenos, para cada polaridad, de amplitudes iguales a la tensión soportada, a fin de evitar daños al aislamiento por la aplicación de gran número de impulsos durante los ensayos.

Ensayos dieléctricos en transformadores de potencia

Los transformadores son sometidos a distintas pruebas de recepción para verificar su diseño y construcción, mencionaremos a continuación solamente las dieléctricas.

Las pruebas que se realizan se clasifican en tres grupos:

Dentro de las pruebas individuales se realizan las siguientes pruebas dieléctricas:

Dentro de los ensayos especiales se realizan mediciones de otro tipo, por ejemplo, medición de la impedancia de secuencia cero, nivel de ruido, determinación de armónicos de la corriente de vacío.

Esquema dieléctrico de un transformador

En la figura 151 se indica en forma esquemática el aislamiento interno de un transformador.

ALTA TENSION

La aislación principal, está dada por las distancias dieléctricas a masa (núcleo o cuba), se realiza con papel impregnado, placas impregnadas y distancias en aceite.

La aislación secundaria, está dada por las distancias dieléctricas entre devanados de una misma fase, (baja y alta tensión) y entre fases adyacentes, utilizándose los mismos materiales que para el caso anterior.

La aislación entre espiras, es decir, entre conductores de un mismo devanado, se realiza con papel impregnado.

La aislación longitudinal está constituida por fronteras dieléctricas papel-aceite, que pueden verse solicitadas tangencialmente por una componente de campo eléctrico.

En el ensayo de tensión aplicada se prueba la aislación principal y secundaria. El ensayo de tensión inducida tiene por finalidad probar la aislación principal, secundaria y entre espiras. En el ensayo de descargas parciales se controla el estado microscópico del aislamiento total (transversal y longitudinal). Finalmente en el ensayo de impulso se prueba la aislación del devanado a este tipo de solicitaciones.

Desarrollo del ensayo de impulso

El ensayo de impulso debe realizarse sólo cuando las otras pruebas dieléctricas han sido exitosas, ya que en caso de duda, puede constituirse en un ensayo destructivo.

La calibración del circuito de impulso para ajustar las formas de onda dentro de los valores de tolerancia fijados por las normas se debe realizar con disparos de tensión reducida (aproximadamente 25% de la tensión de ensayo).

A modo de ejemplo para un transformador de 300/300/100 MVA con tensiones de 500/138/13.8 kV en la figura 152 se muestran los diagramas de conexión para la realización de estos ensayos en los distintos devanados. Se observa que para el ensayo de AT se ha insertado entre cada fase del devanado de MT y tierra una resistencia R para lograr la cola de la onda, como así también durante el ensayo del devanado de MT las resistencias se han insertado en el devanado de BT.

ALTA TENSION

La forma de onda lograda es de 1.5/46 m s encontrándose dentro de los valores de tolerancia anteriormente indicados.

Para uno de los terminales del devanado de AT cuyo nivel de aislamiento (BIL) es de 1425 kV en la figura 153 se muestran los oscilogramas de tensión y corriente correspondientes a esta fase, adoptándose para la onda de tensión reducida un valor de 999.5 kV (70% de la tensión de ensayo).

ALTA TENSION

Análisis de los resultados

Se considera satisfactorio el ensayo cuando los oscilogramas de referencia (50% o 70%), son idénticos a los correspondientes con las ondas plenas 100%, para lo cual se deben ajustar adecuadamente las ganancias de amplitud del osciloscopio.

Se comparan los registros de tensiones y corrientes obtenidos con ondas plenas entre sí y con los registros con onda reducida.

En caso que se requiera realizar también ensayos con ondas cortadas (previstos por las normas), para efectuar la comparación entre los distintos registros se requiere que tengan idéntico instante de corte.

Las diferencias de fase, sobre oscilaciones, de amplitud, etc., son indicadores de falla.

La interpretación exacta de la falla a partir de los oscilogramas requiere mucha experiencia, y en general sólo puede ser ilustrada con casos comprobados.

Descargas parciales

La descarga parcial es una descarga localizada de baja energía que se presenta en puntos del aislamiento donde la solicitación supera la rigidez dieléctrica de un espacio microscópico, denominado vacuola.

Por solicitación se entiende la intensidad de campo eléctrico, o gradiente de potencial. ALTA TENSION

La rigidez dieléctrica Edi es la máxima intensidad de campo tolerada por la aislación, en aire se toma Edi = 24,5 kVpico/cm (aproximadamente 17 kV/cm).

Si las descargas parciales se presentan en espacios abiertos de los sistemas de alta tensión en aire (por ejemplo entre una punta y una placa) se las denomina comúnmente "descargas corona", si en cambio se presentan en el interior de un material "descargas internas" son las que comprometen el aislamiento sólido.

El parámetro más significativo es la carga eléctrica Q transferida en la vacuola, denominada descarga aparente, y su unidad de medida es el pC.

Esta descarga aparente no es directamente leída por el instrumental de laboratorio debido a la atenuación propia del circuito de medida, la interpretación del resultado de medición es difícil debido a que:

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