En este artículo se describe el desarrollo y la aplicación en campo de

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1 Boletín IIE Evaluación de subestaciones eléctricas aisladas en gas Carlos G. Azcárraga R., Emmanuel Romero L. y Francisco Feregrino Pérez* En este artículo se describe el desarrollo y la aplicación en campo de las técnicas de detección de descargas parciales (DP) en ultra alta frecuencia (UHF), utilizadas por el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) para el diagnóstico en línea de Subestaciones Aisladas en Gas (GIS). Estas técnicas han sido utilizadas en quince GIS de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), permitiendo implementar planes de mantenimiento predictivo para evitar posibles fallas catastróficas. Se describen, además, las dos técnicas que se utilizan para el diagnóstico dieléctrico en línea de una GIS: análisis en el dominio del tiempo y análisis mediante patrones convencionales N-Q-φ de descargas parciales. El análisis en el dominio del tiempo se ha utilizado para localizar la fuente de descargas parciales. Por otro lado, el análisis de los diagramas N-Q-φ se utiliza para determinar el tipo de defecto detectado durante las mediciones. También se describe el desarrollo y utilización de diversos sensores para la detección de DP, los dispositivos empleados para la obtención de una referencia de fase, así como métodos de verificación de la sensibilidad. Introducción Las descargas parciales son problemas incipientes que se pueden presentar en una Subestación Aislada en Gas (GIS), como consecuencia de defectos en el aislamiento. Las descargas parciales son problemas incipientes que se pueden presentar en una GIS, como consecuencia de defectos en el aislamiento, como son partículas libres en el interior de las cámaras, puntas o protuberancias metálicas en los conductores o en la parte interior de las envolventes, cavidades o actividad de tracking en los aisladores soporte, etc. Dependiendo de las características de la fuente de descargas parciales y de su localización, es posible que estos defectos ocasionen la ruptura total del aislamiento. Con la finalidad de prevenir posibles fallas catastróficas, se ha vuelto indispensable el empleo de técnicas modernas de diagnóstico que permitan la detección de DP con alta sensibilidad y selectividad. El método estandarizado definido por la IEC (High Voltage Testing, International Electrotechnical Commission, 2000) ha demostrado ser la mejor técnica para la detección de DP en fábrica, pero su uso en campo, en ambientes industriales, presenta diversas limitaciones, de las cuales algunas se enlistan en la tabla 1. * Comisión Federal de Electricidad 56

2 abril-junio-09 Para superar las limitaciones del método normalizado se han desarrollado y probado diversas técnicas para la detección de DP alrededor del mundo (M. D. Judd et al, 1996; T. Hoshino et al, 2004; C. Neumann et al, 2000; CIGRE, 1999). Entre estas técnicas se tiene la detección acústica de DP, la detección de subproductos de descomposición de gas, la detección óptica de arqueos, y el método eléctrico de detección de DP en ultra alta frecuencia (UHF), que es la tecnología empleada por el IIE para el diagnóstico de GIS en México. Este método utiliza frecuencias de medición por arriba de los 10 MHz, por lo que es una excelente solución para los problemas de baja sensibilidad e interferencia electromagnética durante las mediciones en campo. Como ventajas adicionales de esta técnica, se tiene la posibilidad de utilizarla con el equipo en estudio en operación, sin necesidad de solicitar libranzas para la instalación del equipo de medición y la capacidad de localizar e identificar las fuentes de DP. Una desventaja importante de dicha técnica es que no puede seguirse un método estandarizado de calibración y sólo se puede realizar una verificación de sensibilidad, por lo que las mediciones son cualitativas. Debido a las ventajas de la técnica de detección de DP en UHF y a las limitaciones logísticas que se tienen en campo, se decidió aplicar este método para realizar el diagnóstico de 15 GIS de 115 kv, 230 kv y 400 kv en México. En este artículo se presentan los principales resultados obtenidos, incluidos los análisis en el dominio del tiempo y de los diagramas N-Q-φ de las señales de DP obtenidas en UHF; el comportamiento de los diversos sensores y dispositivos para la obtención de referencia de fase, y la verificación de la sensibilidad de los sensores UHF para DP, así como una demostración de su selectividad. Tabla 1. Principales desventajas del método estandarizado IEC para mediciones en sitio de DP s en GIS. Desventajas Logísticas Técnicas Necesidad de una fuente de alto voltaje Libranza para la instalación del capacitor de acoplamiento y de los accesorios El capacitor de acoplamiento debe soportar el nivel de tensión de la GIS La interferencia radiada y conducida dificulta la detección de las DP La relación Ct>>Ck afecta la sensibilidad de detección de las DP No es posible la localización de la fuente de DP Instrumentación y configuración del circuito de prueba Para el diagnóstico de las 15 GIS de la CFE contempladas en este documento, se aplicaron dos diferentes métodos para la detección de DP: El análisis en el dominio del tiempo y el análisis de patrones convencionales N-Q-φ de DP. A continuación se describen los sensores en UHF utilizados, así como los dispositivos para la obtención de señales de referencia de fase. Se describen también las pruebas realizadas en laboratorio para validar la operación de estos equipos en campo. Sensores UHF Con la idea de acoplar las señales de DP s de los dos métodos de análisis realizados, se utilizaron tres tipos de sensores, los cuales se enlistan a continuación: Sensores preinstalados por el fabricante en cuchillas de puesta a tierra (ABB Application, Switzerland) o en el interior de las envolventes de las GIS. Empleo de sensores inductivos acoplados al devanado secundario de los transformadores de corriente instalados en las GIS. Sensores de tipo ventana construidos por el IIE y colocados en las mirillas de inspección de las cuchillas de puesta a tierra de la subestación, o en los orificios utilizados por el fabricante para el moldeo de los aisladores soporte. 57

3 Boletín IIE El principio de operación de los sensores antes mencionados se basa en la teoría de carga inducida de Pedersen (Pedersen et al, 1991) y en las aportaciones realizadas por Judd (M. D. Judd, 1996), para explicar el mecanismo de propagación de las señales de descargas parciales en UHF en el interior de las cámaras de una GIS, mediante la teoría de las guías de onda. El sensor que demostró mayor sensibilidad y selectividad fue el preinstalado por el fabricante (figura 1), sin embargo, debido a que las GIS instaladas en México que cuentan con estos sensores, provienen sólo de dos fabricantes, es necesario el empleo de otros sensores para evaluar la totalidad de las GIS. De acuerdo con lo anterior, el IIE también utiliza sensores externos tipo ventana (figura 2) para captar la radiación electromagnética en UHF de las señales de DP que se propagan en el interior de la GIS, al momento de una descarga. Estos sensores pueden ser considerados como sensores capacitivos que trabajan como antenas en la banda de ultra alta frecuencia, o como divisores capacitivos en baja frecuencia para realizar las mediciones de voltaje. Otro sensor UHF que utiliza el IIE para la detección de descargas parciales es un sensor inductivo tipo bobina de Rogowski, que se conecta a los cables de alta tensión con que cuentan algunas de las GIS bajo estudio, o bien, en los cables de puesta a tierra de los secundarios de los transformadores de corriente incluidos en todos los arreglos de interruptor de las GIS. La figura 3 muestra el punto de conexión preferente de este sensor inductivo en el secundario de los transformadores de instrumento. Figura 1. Sensor UHF preinstalado por el fabricante en las cuchillas de puesta a tierra y su circuito equivalente. Figura 2. Sensor UHF tipo ventana conectado a un preamplificador comercial. Para la detección de DP en el dominio del tiempo se requieren al menos dos sensores capacitivos del mismo diseño, adecuadamente acoplados en impedancia. Estos sensores se conectan a amplificadores comerciales para preacondicionar las señales UHF de DP y de esta manera realizar un análisis de tiempos de arribo. Para este análisis se utiliza un osciloscopio digital con capacidad de adquirir 5 GS/s y con un ancho de banda de hasta 500 MHz por canal. Verificación de la sensibilidad Como actividad previa a la aplicación en campo de las técnicas de detección en UHF propuestas, fue necesario verificar la sensibilidad de los sensores y amplificadores utilizados y para realizarla, se utilizó un generador de pulsos de alta frecuencia basado en efecto corona, para excitar un modelo de laboratorio de una cámara de GIS. La figura 4 muestra el circuito del generador de pulsos, la respuesta del sensor tipo ventana desarrollado y la medición simultánea de DP con los sensores utilizados, junto con un equipo de medición convencional que basa su funcionamiento en el concepto de carga aparente y despliega patrones convencionales en un display analógico. Como se muestra en la figura 4, los sensores desarrollados pueden detectar pulsos de DP con una carga aparente de aproximadamente 7 pc. De acuerdo con lo anterior, la sensibilidad obtenida con los sensores desarrollados por el IIE, puede ser considerada como satisfactoria para mediciones en campo de descargas parciales en GIS. 58

4 abril-junio-09 Figura 3. Sensor tipo bobina Rogowski conectado al devanado secundario de un transformador de corriente. Figura 4. Verificación de la sensibilidad de los sensores de DP desarrollados por el IIE. 59

5 Boletín IIE Con la finalidad de satisfacer en campo los requerimientos de sensibilidad establecidos en la normativa, se utiliza un calibrador UHF para inyectar un pulso de alta frecuencia a las cámaras de las GIS bajo estudio. La idea es que si este pulso se detecta en un sensor vecino al punto de inyección, la zona comprendida entre el punto de inyección y el punto de detección se considera con sensibilidad de detección. En la figura 5 se presenta el arreglo de inyección del pulso de verificación de sensibilidad y los patrones detectados en un punto de medición localizado a aproximadamente 12 metros del punto de inyección. Nótese la no linealidad de la respuesta del sistema de medición al variar la magnitud del pulso inyectado. Figura 5. Inyección de pulso de verificación de la sensibilidad en una GIS de 400 kv y la respuesta a este estímulo, detectada en un punto de medición ubicado a aproximadamente 12 metros del punto de inyección. a) b) Dispositivos de referencia de fase Para el despliegue de un patrón N-Q-φ convencional de descargas parciales es necesario tener una referencia de fase, esto es, la señal de tensión asociada a la fase que se está evaluando. De acuerdo al ángulo de fase en que se manifieste la actividad de DP, es posible, para un usuario experimentado, determinar el tipo de defecto asociado al patrón obtenido. En este trabajo se presentan tres tipos de sensores utilizados por el IIE para obtener la referencia de fase: un sensor de campo eléctrico acoplado capacitivamente a la barra de alto voltaje de la GIS, una punta de corriente conectada al devanado secundario de los transformadores de corriente y finalmente una punta de voltaje conectada a la salida del secundario de los transformadores de potencial. En la figura 6 se muestra un sensor de campo eléctrico diseñado por el IIE para acoplar la señal de referencia de fase desde una de las mirillas de inspección de la GIS. Figura 6. Sensor de referencia de fase tipo ventana desarrollado por el IIE. 60

6 Mediciones de DP en UHF realizadas en campo abril-junio-09 En esta sección se describe brevemente el procedimiento que se siguió para el desarrollo en campo de las técnicas de medición de DP en UHF. Análisis de las señales de DP mediante el despliegue de patrones convencionales Para amplificar y acondicionar las señales UHF provenientes de los sensores capacitivos y analizar estas señales en el dominio de la fase, se utilizó un preamplificador comercial que opera en la banda de UHF. El amplificador seleccionado posee frecuencias de corte entre los 300 MHz y los 200 GHz, y se polariza por un detector digital de descargas parciales que permite la conexión de diversos accesorios de prueba. El preamplificador permite elevar la ganancia de la señal adquirida y proporciona señales de salida de menor frecuencia, que pueden ser procesadas para obtener un diagrama convencional N-Q-φ de DP. El sensor inductivo tipo bobina de Rogowski utilizado por el IIE, también permite la obtención de patrones convencionales de descargas parciales, al ser acoplado al secundario de los transformadores de corriente de la GIS, o en los cables de alta tensión con que cuentan algunas de las subestaciones evaluadas. Aunque la sensibilidad mostrada por el arreglo bobina de Rogowski-secundario de TC no permitió detectar problemas al interior de la GIS, sí detectó problemas de falso contacto en los secundarios de los transformadores de corriente de las GIS. Este problema, aunque no pone en riesgo la integridad del sistema dieléctrico de la GIS, sí impacta en su operación confiable debido a que puede generar disparos en falso del arreglo de protecciones. Para procesar las señales provenientes del sensor tipo bobina de Rogowski y desplegarlas en un detector convencional, se utiliza otro tipo de preamplificador, cuyas frecuencias de corte están en el rango de 2 MHz a 20 MHz a 3dB. Figura 7. Diagrama esquemático del circuito utilizado para la medición de DP en patrones N-Q-φ, utilizando los sensores preinstalados por el fabricante. Figura 8. Diagrama esquemático del circuito utilizado para la medición de DP en patrones N-Q-φ, utilizando un sensor inductivo. Las figuras 7 y 8 muestran la configuración de ambos circuitos. Análisis en el dominio del tiempo de las señales UHF de DP Los pulsos de frente rápido emitidos durante una descarga parcial se propagan en todas direcciones, en el interior de las cámaras de la GIS. Una manera simple de localizar la fuente de estas descargas consiste en analizar los tiempos de arribo de las señales adquiridas (figura 9). Utilizando esta técnica se puede detectar la fuente de descargas analizando los tiempos de arribo de las señales medidas por dos sensores de UHF, colocados en dos puntos de la GIS. La diferencia de tiempos de arribo entre las señales adquiridas es del orden de nanosegundos, por lo que se requiere una unidad rápida de adquisición y especial cuidado en el acoplamiento de impedancias. 61

7 Boletín IIE La diferencia de tiempos de arribo se determina comparando el frente inicial de dos señales. Esto puede complicarse si el frente de onda de éstas no se encuentra libre de reflexiones, oscilaciones o de ruido externo acoplado al circuito de prueba. Figura 9. Análisis de tiempos de arribo de las señales obtenidas de dos sensores UHF para DP s. Conociendo la diferencia de tiempos de arribo t, la distancia del sensor 1 a la fuente de descargas D 1 puede ser calculada utilizando la ecuación 1. D t representa la distancia entre los dos sensores y c representa la velocidad de propagación dentro de la GIS. Como la permitividad y la permeabilidad relativas del SF 6 es de aproximadamente 1, y despreciando el efecto de los aisladores soporte en la propagación de las señales se puede utilizar la velocidad de propagación de la luz (c=0.3m/ns) como velocidad base. D 1 = D t ( D D ) D = t c Δt 2 [1] Resultados Principales A continuación se describen los resultados más importantes obtenidos con las dos técnicas de detección en UHF propuestas por el IIE. Detección de partículas suspendidas Los patrones obtenidos en la figura 10 muestran actividad de partículas libres en el interior de una GIS en 115 kv. Las mediciones fueron realizadas con el sensor tipo bobina de Rogowski, colocado alrededor de la terminal a tierra del devanado secundario de un TC. Los patrones obtenidos se muestran en la figura 10 (a). Para confirmar el diagnóstico, la envolvente de la GIS fue excitada mecánicamente mediante el impacto de un mazo de goma. Justo después del golpe, la taza de repetición de las descargas parciales se incrementó como se muestra en la figura 10 (b). Debido a que la actividad detectada fue puntual en una sola fase, se le recomendó al personal responsable de la GIS inspeccionar esta cámara. Figura 10. Patrones de partículas libres detectados mediante un sensor tipo bobina Rogowski conectado al devanado secundario de un TC de una GIS en 115kV, antes y después de excitación mecánica. a) b) a) b) 62

8 abril-junio-09 Detección de actividad externa y discriminación de la misma Como las señales de efecto corona producido externamente a la GIS, en las líneas de transmisión vecinas pueden ser detectadas durante las mediciones de DP en el interior de las cámaras de la GIS, se utilizó el análisis de tiempos de arribo de las señales para detectar la fuente de los pulsos electromagnéticos medidos y así confirmar que la actividad detectada proviene de las líneas aéreas y no del interior de la GIS. Para desarrollar este análisis se necesitan dos sensores UHF de DP de tipo capacitivo. Cada uno de estos sensores se coloca en tres puntos diferentes de la fase con supuesta actividad. En la figura 11 se muestran las diferencias de tiempos obtenidas, respecto al sensor localizado más cerca de la salida a línea de transmisión. En este caso particular, las diferencias en tiempos de arribo fueron de 20 ns y 50 ns. Utilizando c=0.3ns/m como la velocidad de propagación de la señal en el interior de la GIS, se estima una distancia de 6 y 15 metros respectivamente desde la fuente de interferencia electromagnética, coincidiendo con la zona de transición gas-aire de la subestación y con la actividad de efecto corona que se manifiesta en la zona de herrajes de las boquillas. Figura 11. Detección mediante tiempos de arribo de actividad de corona externa. Detección de problemas de contacto en una cuchilla En este caso se utilizó como estrategia inicial, un diagnóstico preliminar basado en el análisis mediante patrones convencionales N-Q-φ, utilizando sensores tipo ventana en cuatro puntos diferentes de una GIS de 400 kv. En la figura 12 (a y b), se muestran solamente los patrones obtenidos en dos de los cuatro puntos de medición. Los patrones registrados revelaban un problema de falso contacto en la cuchilla adyacente a la zona inspeccionada, ya que la actividad de DP se manifiesta centrada en los cruces por cero de la señal de referencia. Después de este análisis inicial se realizaron diversas mediciones en las ventanas de inspección y aisladores soporte cercanos a la cuchilla sospechosa; las nuevas mediciones realizadas se analizaron en el dominio del tiempo (figura 12-c). Lo que se encontró con esta segunda técnica de análisis fue que al diagnóstico por ambas técnicas coincidía, revelando que la localización de la señales de DP s provenían de la cuchilla, alrededor de 2.5 metros del punto utilizado como referencia para el análisis en el dominio del tiempo (figura 12-d). Figura 12. Patrones de DP s obtenidos alrededor de una cuchilla de desconexión. Análisis de los tiempos de arribo para confirmar la localización de la actividad. a) b) c) d) 63

9 Boletín IIE La teoría de que las señales registradas eran causadas por un problema de falso contacto en la cuchilla, se confirmó una vez que el generador que alimenta la GIS se desconectó por motivos de mantenimiento. Después de la desconexión del generador, la GIS permaneció energizada a través del sistema, sin ninguna carga conectada. Bajo estas condiciones de operación a baja corriente, la actividad de DP por falso contacto desapareció y no pudo ser detectada por ninguna de las técnicas de medición. Conclusiones Las principales conclusiones obtenidas de la aplicación de las técnicas en el dominio del tiempo y mediante diagramas N-Q-φ, para la detección de DP en UHF son las siguientes: El método de detección estandarizado muestra serias limitaciones y desventajas para su aplicación en campo. Esta técnica sólo es aplicable bajo condiciones de laboratorio, donde la interferencia electromagnética y la disponibilidad de una fuente de alto voltaje no representa problemas. Las técnicas de detección de DP en UHF presentan alta sensibilidad y selectividad, sin mostrar las dificultades del método normalizado. El análisis en el dominio del tiempo permite localizar la fuente de DP en el interior de las cámaras de una GIS, simplificando las operaciones de reparación o mantenimiento. Para la implementación de este método se requieren de al menos dos sensores UHF, para obtener resultados útiles. Sin embargo, la correcta interpretación de las señales obtenidas en ciertos casos resulta muy complejo, por lo que se requieren conocimientos previos y experiencia. Las técnicas descritas han sido exitosamente aplicadas a 15 subestaciones de transmisión y generación de la CFE, en los niveles de 115 kv, 230 kv y 400 kv. Es necesario implantar metodologías que permitan una calibración o verificación de la sensibilidad, con el fin de cuantificar eficientemente las DP detectadas. Esto ayudará a fijar prioridades en el mantenimiento. Bibliografía High Voltage Testing Partial Discharge Measurements, International Electrotechnical Commission, Standard IEC60270, Third Edition, Switzerland, M. D. Judd, O. Farish, B. F. Hampton, The excitation of UHF signals by partial discharges in GIS, IEEE Transactions on. Dielectric and Electrical Insulation., vol. 3, no. 2, pp , April T. Hoshino, K. Nojima, M. Hanai, Real-time PD identification in diagnosis of GIS using symmetric and asymmetric UHF sensors, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 19, no. 3, pp , July C. Neumann, B. Krampe, R. Feger, K. Feser, M. Knapp, A. Breuer and V. Rees, PD Measurements on GIS on Different Designs by Non-Conventional UHF Sensors, in Proc CIGRE Session Report PD Detection System for GIS: Sensitivity Verification for the UHF Method and the Acoustic Method, in CIGRE TF15/ ELECTRA no. 183, pp , PowerIT SF 6 Gas-insulated Switchgear, On-site Partial Discharge Measurement with Earthing Switch Shield, ABB Application Note 1HC E01 / AA03 ABB Switzerland LTD. Pedersen, A., Crichton G. C., McAllister I. W., The theory and measurement of partial discharge transients, IEEE Trans. Electr. Insul. Vol. 26, no. 3, pp , June M. D. Judd, The excitation of UHF signals by partial discharge in gas insulated substations, PhD Thesis, University of Strathclyde, June

10 abril-junio-09 CARLOS GUSTAVO AZCÁRRAGA RAMOS Ingeniero Electromecánico, egresado del Instituto Tecnológico de Zacatepec en 1995 y Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con mención honorífica, por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en Ingresó al IIE en 1996, al programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT), desempeñándose en la Gerencia de Equipos Eléctricos, en la línea de transformadores y equipo primario de subestaciones. Durante su estancia realizó programas de control de mediciones por computadora y se capacitó en el modelado de equipo eléctrico de alta tensión mediante técnicas numéricas. En 1997 fue contratado por la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde hasta el día de hoy se desempeña en actividades de investigación y desarrollo relacionadas con instrumentación de nuevas técnicas de evaluación y diagnóstico de la integridad electromecánica y dieléctrica de transformadores, cables y subestaciones aisladas en gas. Ha participado como ponente en diversos foros nacionales e internacionales, relacionados con aislamientos y equipos eléctricos. Es catedrático de la Universidad Morelos de Cuernavaca y de la Maestría en Ingeniería Eléctrica impartida por el IIE a los Comités de Especialistas de Transmisión, de la Comisión Federal de Electricidad (CFE). EMMANUEL ROMERO LIMA [eromero@iie.org.mx] Ingeniero Electromecánico, egresado del Instituto Tecnológico de Zacatepec en En ese mismo año ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas como becario de prácticas profesionales y tesis en la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde desde 2007 se encuentra trabajando como investigador por honorarios. Ha participado en proyectos relacionados con el diagnóstico de descargas parciales en equipo primario de subestaciones. Sus principales áreas de interés incluyen el diagnóstico mediante técnicas de alta sensibilidad de GIS y cables, así como el desarrollo de nuevas técnicas de diagnóstico. 65