VARIABLE PARA LA SUPERVISIÓN DEL ENVEJECIMIENTO DEL AISLAMIENTO  PRINCIPAL DE GRANDES HIDROGENERADORES MEDIANTE DESCARGAS PARCIALES

Torres William(1), Dorrbercker Santiago(2) y Benitez Ivón(2)

(1)Ingeniero Electricista, CIAP (EDELCA- CORPOELEC), Planta Macagua Puerto Ordaz, Venezuela

(2)CIPEL, facultad de Ingeniería Eléctrica (ISPJAE) La Habana Cuba. wtorres@edelca.com.ve.

Resumen:

El envejecimiento del aislamiento principal de grandes hidrogeneradores es una de las causas raíces de fallo de mayor consideración de estas máquinas, adicionalmente, el empleo de las descargas parciales (DP) para la evaluación del estado de degradación ha constituido un objetivo buscado, pero, aun con resultados insatisfactorios. En este artículo se presenta una nueva variable de estado ZDP para la supervisión del envejecimiento del aislamiento principal de Hidrogeneradores de Gran Potencia. El aspecto más importante de ZDP es la robustez, que es, la habilidad de mostrar variaciones mínimas en función de las condiciones de ensayos y su capacidad de identificación, lo cual, es la aptitud de un indicador específico para un defecto determinado. La investigación se desarrolló sobre una base experimental de hidrogeneradores desde 60 a 805 MVA y tensiones de 13,8 y 18 kV; cuyos sistemas aislantes abarcan todas las variantes comerciales conocidas y se distribuyen de la forma siguiente: aislamiento mica-asfáltico (6 generadores), aislamiento mica-poliéster (3 generadores) y aislamiento mica-epoxi (43 generadores). En síntesis, se comparan los resultados de la aplicación de la nueva variable con otros parámetros vigentes de empleo tradicional para la supervisión del envejecimiento mediante las DP, demostrándose así la efectividad de ZDP.

Palabras Clave: Aislamiento Principal/ Descargas Parciales/ Hidrogeneradores/ Supervisión del Envejecimiento/ Variable de Estado.

VARIABLE FOR THE SUPERVISION OF AGING MAIN INSULATION OF LARGE HYDROGENERATORS THROUGH PARTIAL DISCHARGES

Abstract:

The aging of the main insulation of large hydrogenerators is one of the root causes of failure of greater consideration of these machines, additionally; the use of the technique of the partial discharges (PD) for the evaluation of the degradation condition has constituted an objective looked for but even with unsatisfactory results. In this article a new state variable ZDP for the supervision of the aging of the system of insulation of the stator of the powerful hydrogenerators. The aspect most important of ZDP is the robustness, that is, ability to display minimum variations as a function of testing conditions and identification capability, which is the attitude of an indicator to be specific for a certain kind of defect. The research was developed on experimental base insulation systems which cover all known commercial versions and are distributed as follows: mica-asphalt insulation (6 generators), polyester-mica insulation (3 generators) and mica-epoxy insulation (43 generators). In synthesis, the results of the application of the new variable with other parameters of effective traditional use for the supervision of the aging through PD, thus demonstrating the effectiveness of ZDP are compared.

Key words: Partial Discharges/ Hydrogenerators/ Main Insulation/ Supervision of the Aging/ State Variable.

 

I. INTRODUCCIÓN

La importancia del monitoreo de las Descargas Parciales (DP) en Máquinas Eléctricas Rotatorias de Gran Potencia (MERGP), y en particular, en el aislamiento del estator de los Hidrogeneradores de Gran Potencia (HGP), ha sido demostrada por su utilidad en la detección de defectos, tales como, descargas entre barras, corona, internas y de ranura, entre otras; con resultados muy positivos en su detección y discriminación. Sin embargo, los resultados obtenidos en la supervisión del envejecimiento no han sido consistentes, por tal motivo en el presente milenio se ha observado una atención especial de la eficacia de las DP en la valoración del envejecimiento [1-5].

Durante el siglo pasado fueron utilizados diversos indicadores en la dirección de concretizar de forma efectiva el empleo de las DP para la valoración del envejecimiento, pero al no haber alcanzado los objetivos, se proponen un grupo de parámetros con criterios definidos como por ejemplo: la intensidad máxima de las DP (Qm) y su análisis bidimensional combinado con la frecuencia de pulsos (n vs. Qm), con la cantidad numérica normalizada (NQN vs. Qm) y con la intensidad media (NQS vs. Qm); pero ninguna ha cubierto satisfactoriamente con esas expectativas. En la actualidad se observa una atención especial sobre este tema [1-5]; interés que viene dado, tanto, por aportes recientes sobre la asociación de las arborescencias en el aislamiento que reflejan el proceso del envejecimiento [2], como, el peso que tiene el envejecimiento entre las causas raíces de los fallos en el aislamiento de los HGP, y por los excelentes resultados alcanzados en la identificación de las restantes causas que con mayor frecuencia conducen al fallo del aislamiento, es decir, contaminación del devanado, DP internas y de barras-barras [1, 3-6]. En la Figura 1 se muestran, de forma resumida, los resultados de una encuesta efectuada por Consejo Internacional de Grandes Redes Eléctricas (CIGRÉ) sobre las principales causas raíces de los fallos en el aislamiento de los HGP y donde se observa el efecto preponderante del envejecimiento [1].

Además, la capacidad y potencialidad de las DP como elemento de supervisión del envejecimiento del envejecimiento, también quedó demostrada a partir de la matriz de impacto de envejecimiento (ver Figura 2) y su correspondiente Diagrama de Pareto, efectuado por los autores sobre la base experimental de los HGP [5].

El propósito de este trabajo, es presentar una nueva variable de estado ZDP para la supervisión del envejecimiento del aislamiento principal de los HGP. El aspecto más importante de ZDP es la robustez, que es la habilidad de mostrar variaciones mínimas en función de las condiciones de ensayos y su capacidad de identificación, lo cual, es la aptitud de un buen indicador para un defecto determinado.

El método de estudio empleado en este trabajo fue el resultado de la concatenación armónica de métodos teóricos, empíricos y estadísticos. Los métodos teóricos posibilitaron la explicación y profundización en las relaciones esenciales que existen entre las DP y el envejecimiento del sistema aislante; así como las características fundamentales del fenómeno del envejecimiento y la interpretación físico-matemática de las variables y parámetros empleados para su caracterización. El método empírico fue inicialmente empleado en el estudio directo del fenómeno de las DP en el sistema aislante del estator de los HGP y su correlación con los eventos de fallos y acciones de mantenimiento del devanado estatórico para la comprobación de las hipótesis planteadas, es decir, la efectividad de las DP en la supervisión del envejecimiento del sistema aislante del estator de los HGP. En este trabajo los métodos estadísticos fueron empleados de diversas maneras:

• En las bases propias del sistema de medición empleado ICMSystem que es un detector de DP totalmente controlado por computadora. Este sistema permite la evaluación del estado del aislamiento a través del registro de un patrón tridimensional de DP de fase resuelta (patrón φ q n).

• En el procesamiento de la información generada por el sistema de medición ICMSystem para la obtención de los parámetros estadísticos de las DP.

• En la validación de la identificación de los ficheros generados por el proceso de medición.

• En el análisis de la efectividad de las DP en la supervisión del envejecimiento del sistema aislante del estator de los HGP.

El desarrollo del trabajo presenta la instalación experimental de la investigación, la metodología empleada para la identificación de los patrones de DP y la importancia de la validación de la identificación, así como, las variables para la supervisión del envejecimiento del aislamiento del estator de los HGP y la validación de la variable ZDP.

II. DESARROLLO

1. Instalación experimental

La instalación experimental empleada para el desarrollo de la investigación cuenta de 52 HGP con potencias que van desde 60 a 805 MVA, con tensiones de 13,8 y 18 kV, y cuyos sistemas aislantes del estator están distribuidos de la manera siguiente: mica-asfalto (6), mica-poliéster (3) y mica-epoxi (43), con edades de servicios que van desde 15 a 50 años. En síntesis, se contó con una base de datos de 6488 registros de ensayos de DP efectuados entre los años 1999 y 2009, cuyos períodos de medición varían entre 6 meses y un año por cada HGP, supeditándose al defecto encontrado. En la Figura 3 se muestra el sistema de detección primaria de DP, el cual está conformado por acopladores capacitivos (80 pF en serie con 50 Ω) instalados permanentemente en los terminales de salida de cada fase del generador.

Las mediciones de descargas parciales fueron ejecutadas en línea (on-line) e in-situ, en las centrales hidroeléctricas, con un sistema de adquisición de Patrón de Fase Resuelta (PRPD, acrónimo del inglés Phase Resolved Partial Discharge) conectado a los acopladores capacitivos. Todos los registros PRPD fueron adquiridos en 30 segundos de medición, a través  

de cuatro pre-amplificadores conectados entre el acoplador y el sistema de adquisición multiplexor de 8 canales ICMSystem. Los rangos de frecuencia cubiertos por estos preamplificadores fueron de 40-800 kHz (referida como baja frecuencia), 2-20 MHz (referida como frecuencia intermedia), 20-200 MHz (referida como frecuencia media-alta) y 200- 1000 MHz (referida como frecuencias altas).

El detector de DP es un instrumento moderno de adquisición digital denominado ICMSystem de la empresa Power Diagnostix, totalmente controlado por un computador personal utilizando el software SysMux 3.56 [7], que permite la evaluación del estado del aislamiento a través del registro de un patrón tridimensional de DP de fase resuelta (φ-q-n) similar al mostrado en la Figura 4.

El patrón tridimensional DP de fase resuelta (φ-q-n) generado a partir de la medición con el detector ICMSystem, consiste de los siguientes elementos:

• Eje “Y”, representa la magnitud de la DP,

• Eje “X”, representa el ángulo de la fase de ocurrencia de los pulsos de DP,

• Eje “Z”, representa la cantidad de los impulsos de DP, mediante una codificación de color que va de gris, amarillo hasta rojo, según su densidad.

El patrón antes referido es almacenado en un fichero, de extensión .DAT que, además del mapa de datos contiene los ajustes del instrumento para la medición correspondiente. Para poder acceder a la información relativa a los pulsos de DP registrados en los ficheros correspondientes, imprescindible para este trabajo, se hizo necesario efectuar la identificación de toda la información contenida en los mismos, la cual se logró mediante el desarrollo de un programa desarrollado por los autores, llamado Wisdom, y soportado en la plataforma Matlab® versión 7.2.0.232 R2006b. La validación de la identificación se efectuó a partir de la aplicación del contraste de Kolmogorov-Smirnov (KS), más otros estadísticos como, la Prueba F y el Coeficiente de Correlación (r) entre las distribuciones identificadas y brindadas por el panel estadístico del Software SysMux 3.56 de la Power Diagnostix. Las distribuciones dadas por el panel son las siguientes:

• Distribución de valor medio de los pulsos de DP en cada ángulo de fase (Hqn).

• Distribución de la carga media por ciclo vs. fase (Hqs).

• Distribución del total de pulsos de DP en cada ángulo de fase (Hn).

• Distribución de valor medio de los pulsos de DP en cada ángulo de fase (Hqn).

Obteniéndose como resultado que en el 100% de los casos no existían evidencias estadísticamente significativas para rechazar el hecho de que las distribuciones ofrecidas por el software SysMux 3.56 y las identificadas durante esta investigación fueran diferentes. En la Tabla se resumen los resultados obtenidos de la aplicación de la Prueba F, el Coeficiente de Correlación y el contaste de Kolmogorov- Smirnov para un 95% de confianza.

 

2. Variables para la supervisión del envejecimiento

Envejecimiento del aislamiento

El envejecimiento del aislamiento es un cambio gradual del estado y las propiedades que, generalmente, culmina en un grado de funcionamiento defectuoso [8-11]. El envejecimiento del aislamiento siempre está asociado a la interacción de esfuerzos térmicos, eléctricos, ambientales y mecánicos que pueden ser incentivados en mayor o menor medida de acuerdo al régimen de explotación del generador. El proceso de envejecimiento del aislamiento principal es unidireccional (nunca rejuvenece) y nunca se detiene.

Supervisión del envejecimiento

Para la supervisión de la evolución o desarrollo de los procesos de deterioro del envejecimiento del aislamiento principal de los HGP, existen dos vertientes fundamentales:

• La comparación de los resultados de la variable de supervisión contra un valor umbral, y

• El análisis del comportamiento histórico-evolutivo de la variable de supervisión.

A esta última los autores del presente trabajo le otorgan mayor relevancia, consiste en la comparación de la variable de supervisión obtenida de las mediciones efectuadas bajo similares condiciones de operación.

Medidas normalizadas de la intensidad de las descargas parciales más empleadas

Las medidas normalizadas de las DP más frecuentemente recomendadas son la tensión de ignición (Ui) y de extinción (Ue); las pérdidas de potencia (P_DP) y de Energía (W_DP); la frecuencia de pulsos (n); la Intensidad máxima (Qm); la intensidad media (NQS); y la cantidad numérica normalizada (NQN).

Las tensiones de ignición y extinción son de gran utilidad por cuanto, estas magnitudes caracterizan de forma clara el grado de exposición a las DP del aislamiento, cuando éste se encuentra a la tensión de operación. Sin embargo, debido a que este ensayo sólo es posible practicarlo Off-Line, de manera general, el mismo no se contempla dentro de la mayoría de los programas de ensayo de las Máquinas Eléctricas Rotatorias de Gran Potencia (MERGP) en operación; No obstante es frecuentemente usado por los fabricantes como parte de los planes de aseguramiento de calidad.

Las pérdidas de potencia (P_DP) y de energía (W_DP) constituyen sin dudas dos elementos potencialmente muy útiles para la evaluación del deterioro del aislamiento de las MERGP ya que, en ambos casos, su magnitud es proporcional al nivel de actividad de las DP [11], sin embargo, no se conocen reportes de su empleo para supervisar el envejecimiento, aunque su utilidad ha sido probada en la detección de DP de ranura [12].

La Frecuencia de los pulsos (n) es de las más empleadas en la evaluación del deterioro del aislamiento de las MERGP, pues caracteriza con mucha transparencia la actividad de las DP, pero por sí sola su alcance es limitado ya que su magnitud puede estar asociada tanto a pocos defectos de gran significación como a muchos de poca significación. Es frecuente ver su aplicación a partir de la característica n vs. Qm [13].

La intensidad máxima de las DP (Qm) es también una de las medidas normalizadas de las DP de mayor uso para la evaluación del deterioro del aislamiento de las MERGP, caracteriza con mucha transparencia la presencia de defectos de consideración, y en años recientes ha sido advertida su utilización a partir del establecimiento de ciertos valores críticos [14]; Aunque lo anterior es una posibilidad a considerar, debe tenerse siempre en cuenta las condicionantes establecidas por los propios autores relativas a la tensión de ensayo y la base del aglutinante que conforma el aislamiento. Recientemente, en el año 2008 Montanari [15] demostró que los percentiles o el valor máximo de la amplitud de impulso de DP no constituyen un indicador de diagnóstico; a la vez que señala que el concepto de la amplitud de las DP es complicado; por lo que podría involucrar malas interpretaciones y promover falsas decisiones de mantenimiento.

La Intensidad media de las DP, NQS, es otra de las medidas normalizadas de las DP más empleadas en la evaluación del deterioro del aislamiento de las MERGP. NQS, caracteriza con bastante eficacia la actividad de las DP, no obstante, en la literatura su utilización siempre está condicionada a la vinculación con otras medidas de las DP; por ejemplo, con Qm [14] y con n [16].

La cantidad numérica normalizada NQN, es proporcional a la actividad de DP e indica qué tan severo es el deterioro del aislamiento en el peor punto del devanado; por lo cual brinda una idea de la cantidad de cavidades presentes en él, por tanto, NQN puede interpretarse de forma similar al factor de potencia Tip-Up, pero no es capaz de brindar una información confiable sobre el envejecimiento del aislamiento.

Impedancia a las DP

Como resultado de las investigaciones realizadas en la búsqueda de un indicador robusto del envejecimiento del aislamiento del estator de las MERGP, y en particular de los HGP, se obtuvo la impedancia a las DP (Z_DP). Su concepción se fundamenta en la interrelación de tres variables cuyas magnitudes dependen directamente de la actividad de DP en el aislamiento ensayado. Este indicador de envejecimiento del aislamiento tiene un comportamiento que es inversamente proporcional a su deterioro.

Z_DP relaciona la energía requerida por cada pulso de DP, la frecuencia y el peso de las DP, en cuanto a la distribución estadística de sus principales características en función del ángulo de fase de la tensión de ocurrencia, es decir:

   (1)

donde:

NQS es la intensidad media de la corriente integrada de las DP.

es la distribución de la carga media por ciclo vs fase.

W_DP es la energía asociada a las DP, que se determina a partir de:

   (2)

donde:

ui son las tensiones instantáneas.

qj son las intensidades de DP que aparecen en cada ui.

La expresión (1) evalúa la relación existente entre la energía de todas y cada una de las DP (W_DP) registradas durante la medición, con relación a la magnitud integrada de las DP

y la intensidad media de la corriente integrada (NQS).

Esta relación posibilita, ante todo, tener en cuenta el aporte de todos los pulsos registrados durante la medición y la ponderación de su efecto sobre el deterioro del aislamiento.

Resultados obtenidos

Como se indicó anteriormente, para el desarrollo del presente trabajo se contó con una base de datos con el registro de 6488 ensayos efectuados entre los años 1999 y 2009. Dicha información fue el resultado del filtraje de más de 12 mil ensayos. La base seleccionada se caracterizó por:

• Estar libre de errores estadísticos, atendiendo a lo indicado por el fabricante del instrumento [7].

• Eliminación de mediciones de calibración y ajuste.

• Uniformidad en las temperaturas regímenes de operación.

Adicionalmente se contó con la base histórica de las intervenciones efectuadas al devanado del estator de los generadores estudiados. Del análisis de la base de datos de ensayos y del registro histórico de las actividades de los generadores se identificaron las siguientes variantes de estudio:

• Comportamiento de las variables de supervisión de aislamientos no intervenidos (proceso de envejecimiento).

• Comporamiento de las variables de supervisión de aislamientos antes y después de un mantenimiento correctivo.

• Comportamiento de las variables de supervisión de aislamientos antes y después de la sustitución total del devanado por uno nuevo.

El procesamiento de la información mostró que en el 100% de los casos analizados, la impedancia a las DP (Z_DP), es capaz de observar el envejecimiento del aislamiento principal para las variantes de estudio planteadas, lo cual, de manera muy sucinta, se ejemplifica mediante los siguientes casos de estudio:

• Caso de estudio No. 1: envejecimiento sin intervención (Figura 5). Se observa que ZDP mantuvo una pendiente negativa en todas las inspecciones que se efectuaron.

• Caso de estudio No. 2: antes y después de sustituido el devanado (Figura 6). Se observa que ZDP mantuvo una pendiente negativa hasta la inspección efectuada en 2002, cambiando el signo de la pendiente en el ensayo efectuado en 2003 después de ser efectuado el mantenimiento al devanado.

• Caso de estudio No. 3: antes y después de un mantenimiento (Figura 7). Se observa que Z_DP tuvo una pendiente positiva entre los ensayos de 2001 y 2002, este último efectuado después del mantenimiento; a partir de ese ensayo el comportamiento muestra una pendiente negativa, típica del envejecimiento.

A manera de contrastar el comportamiento de todos los indicadores estudiados, en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se muestran las características correspondientes al Caso de estudio No.1 de las siguientes medidas de la intensidad de las DP:

Los resultados de las características mostradas en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. corresponden a una MERGP que fue sometida a un cambio de devanado en el período comprendido entre las mediciones números 3 y 4, cuyo análisis se resume de la siguiente forma:

• PQant: En la medición 1 indica que el aislamiento no se encuentra en malas condiciones, pero después de transcurrido un tiempo hasta 2 ofrece muestras de un fuerte deterioro, para en 3 indicar cierta recuperación. Finalmente, posterior a mantenimiento (medición 4), el valor de PQant indica un elevado valor de los picos pero una baja intensidad de la corriente media, lo que es aceptable para un devanado nuevo.

• H_qm: Indica un incremento en magnitud asociado al aumento de su pendiente con el transcurso del tiempo, aun después de ser colocado un devanado nuevo.

• NQN: En 1 indica una baja actividad de DP. En la medición 2 se detecta una elevación apreciable de la actividad de DP, mientras que para la medición número 3 esta aumenta ligeramente con relación a 2. Al efectuarse la cuarta medición se detecta una disminución en la actividad de la DP, inferior al valor registrado en 1.

• Z_DP: En la primera medición proporciona señales de problemas en el aislamiento, al efectuar las mediciones 2 y 3 indican la presencia de un deterioro progresivo, el cual desaparece después del mantenimiento, es decir tras el cambio del devanado por uno nuevo (medición 4).

En resumen, la Tabla II muestra el comportamiento de las medidas empleadas para la caracterización de las DP, donde se concluye que el comportamiento de Z_DP desde la primera medición, indicó problemas en el sistema de aislamiento del generador producto de la ocurrencia de las DP. Esto demuestra que ZDP, identifica con efectividad el envejecimiento del aislamiento y por consiguiente queda demostrado, la sustitución del devanado deteriorado por otro nuevo o rehabilitado de daños causados por las DP.

III. CONCLUSIONES

En el trabajo ha sido presentada la variable de estado (ZDP) cuyo propósito es la supervisión del envejecimiento del aislamiento principal de los hidrogeneradores de potencia, cuya efectividad se ejemplificó a partir de tres casos de estudio que se corresponden con los escenarios de trabajo de las MERGP en los cuales debe ser identificado el envejecimiento entre otros defectos presentes; Obteniéndose las siguientes conclusiones:

1. Z_DP es un indicador que registra las huellas históricas del deterioro de aislamiento incluido el deterioro causado por la presencia de contaminantes.

2. Los resultados ponderan a Z_DP como un indicador robusto para la supervisión del envejecimiento del aislamiento principal de los HGP, debido a la habilidad de mostrar variaciones mínimas en función de las condiciones de los ensayos efectuados, así como, su capacidad de identificación del envejecimiento del aislamiento principal entre otros defectos. Adicionalmente, los aspectos que hacen que Z_DP sea un indicador robusto para el diagnóstico mediante DP, son los siguientes:

• No es influenciada por la condición del peor punto del devanado;

• Y no es influenciada por el aglomerante del aislamiento principal.

IV. REFERENCIAS

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