Diagnósticos de cables subterráneos de Media Tensión de Distribución: primera experiencia en UTE

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1 1 Diagnósticos de cables subterráneos de Media Tensión de Distribución: primera experiencia en UTE Ing. Electr. Daniel Scanagatta, U.T.E Resumen Este trabajo describe la primera experiencia de diagnostico de cables subterráneos de Media Tensión en UTE. Se presentan los motivos que dieron lugar al contrato de un primer servicio de diagnostico de cables seleccionados de la red de Distribución de 30 kv, los criterios de selección del método de diagnostico requerido, los resultados y recomendaciones de la firma contratada, una descripción de las dificultades practicas y limitaciones, así como las conclusiones que se obtuvieron a los efectos de eventuales futuros contratos. Índice de términos--. Cable, Diagnostico, Descargas Parciales I. NOMENCLATURA Media Tensión (MT): corresponde a tensiones máximas de servicio mayores a 1kV y menores o iguales a 72,5kV OWTS (Oscillating Wave Test System): Sistema Transitorio de Onda Oscilante U II. INTRODUCCIÓN no de los problemas mas frecuentes que se han tenido al menos en las dos últimas décadas en las redes subterráneas de UTE-Distribución, es la salida de servicio de los circuitos por fallas localizadas en los accesorios de los cables (empalmes y terminales). pueden verse dos o más de ellos en una misma pieza, típicamente: - Tratamiento descuidado (ejemplo: figura 1) - Piezas mal montadas (ejemplo: figura 2) - Discontinuidad en la pantalla metálica del cable o mal contacto eléctrico debido al montaje inadecuado/ ausencia de conectores de unión o elementos de apriete - Preparación defectuosa del cable (mal corte de la semiconductora, largo de remoción de la misma que no corresponde con el montaje. Ejemplo figura 3) - No aplicación de los elementos de sellado de humedad, o aplicación errónea (ejemplo: figura 4) Lamentablemente, se ha constatado que las pruebas eléctricas (típicamente, tensión aplicada en CC) que se realizan actualmente como validación para la puesta en servicio de un nuevo circuito o luego de una reparación, no han sido eficaces a la hora de la detección de estos problemas, o bien directamente es imposible que pueden serlo (como es el caso de la falta de elementos de sellado). Las siguientes fotografías pertenecen todas a accesorios que han estado en servicio algún tiempo, y pasaron estas pruebas. Esta modalidad de falla puede ser explicada esencialmente como el efecto combinado de los siguientes hechos: - El cambio tecnológico, con el uso cada vez mayor de cables XLPE y la gran variedad de marcas y modelos de accesorios disponibles en el mercado, los cuales pueden tener técnicas de montaje muy diferentes - El proceso de tercerización del montaje, recurriendo a empresas contratadas, cuyo control no fue eficiente - Una falta de actualización del personal propio de UTE, en la formación correspondiente al montaje - Uso de herramientas inadecuadas Analizadas las fallas, en las piezas removidas de la red se observan una gran variedad de defectos de montaje (algunos de los cuales son la causa raíz de la falla) pero en general Fig. 1. Errores de montaje (alambre de la pantalla del cable, dejado entre el tubo de control de campo y el primer tubo aislante)

2 2 III. DESARROLLO Plan de Formación para montadores de accesorios de cables de MT y para personal de control de trabajos Para atacar estos problemas, se entendió necesario en primer lugar mejorar la calidad de estos montajes. Es así que a partir de 2005 UTE estableció un Plan de Formación del colectivo de personal involucrado en el proceso de montaje y control de accesorios de cables subterráneos de MT, lo cual comprende: Fig. 2. Errores de montaje (tubo de control de campo mal posicionado) - personal de las empresas contratadas o de UTE, tanto para obras nuevas o mantenimiento, que realizan directamente las tareas - personal de UTE abocado al control de los trabajos En el caso del personal de las empresas contratadas, se estableció la exigencia de los cursos de formación en los propios Pliegos de Condiciones de los contratos, acreditándose a las personas que directamente hacen los trabajos (no a la empresa en sí). Esta acreditación tiene una duración nominal de 2 años, y se extiende con cursos de actualización y reciclaje específicos. Como complemento, se confeccionó además un Instructivo de Trabajo sobre el cual se trabaja en los cursos, que normaliza los requisitos básicos, procedimientos de montaje aceptados y herramientas a utilizar en cada caso. Fig. 3. Errores de montaje (corte de semiconductora defectuoso) Fig. 4. Errores de montaje (descargas en la interfase entre dos tubos aislantes, debido a ingreso de agua en esa zona) Primeros resultados y conclusiones Como resultado de este Plan, y si bien no se dispone aún de estadísticas, se ha comenzado a observar una disminución notable de fallas en los trabajos que se realizaron en los últimos años. Esto ha justificado el esfuerzo dedicado a esta actividad, y generado el convencimiento de que debe sostenerse en el tiempo para seguir mejorando los resultados ya obtenidos. También se ha confirmado de alguna forma la hipótesis previa, la cual asignaba esencialmente la falla de los cables a los defectos en accesorios (de hecho, las fallas encontradas en el cable mismo y que no son debidas a daños mecánicos por terceros son de valor estadístico residual, para el caso de UTE) Sin embargo, también se siguieron observando (hasta la actualidad) fallas de los accesorios montados en años anteriores al comienzo del Plan de Formación, en tiempos promedio notablemente inferiores a lo esperado. Como conclusión, se entendió necesario atacar aquellos montajes que, teniendo problemas derivados del montaje, aún están en servicio. Dado que la detección de los defectos observados en los ejemplos sólo es posible indirectamente a través de los efectos eléctricos que se generan, se procedió al

3 3 estudio de las distintas metodologías disponibles en el mercado, con vistas a la elaboración de un Pliego de Condiciones para un contrato de diagnóstico. Elección de Metodologías disponibles para un diagnóstico de cables de MT En principio se agruparon los posibles defectos en dos: - los que pueden originar ingreso de humedad (caso típico, defectos en el sellado) - los que pueden provocar la presencia de Descargas Parciales permanentes (casos típicos, tubos descentrados, cavidades, objetos extraños etc.) El motivo de tal agrupamiento tiene que ver con sus efectos. En general, el ingreso de humedad (que se da sobretodo en empalmes) implica un aumento de las pérdidas dieléctricas, sin embargo no suelen generarse DP, al menos no factibles de ser detectadas en un momento cualquiera de medición. Por otro lado, los métodos de detección estudiados en su momento permitían evaluar la totalidad de un tramo de cable, pero no detectar los puntos específicos donde se verifica el ingreso de agua en el mismo. Dado que la experiencia en UTE (a través de la apertura de accesorios fallados y su evaluación) muestra que los defectos que potencialmente generan DP se han repetido con mayor frecuencia que aquellos que provocan entrada de humedad, y que además suelen ser la causa raíz de la fallas (*), se optó por una metodología (y un equipo) que priorizara la detección de DP, es decir no se exigió como imprescindible la medición de pérdidas dieléctricas, aunque fuera deseable. Esta medida se basó en la realidad técnica observada en su momento, de que el mercado ofrecía métodos y equipos específicos para detectar efectos diferentes, de modo que un equipo de detección de DP podía no utilizar el método mas preciso para medir las perdidas dieléctricas del cable (o bien directamente no incluir esta posibilidad). Además, dado que estos equipos necesariamente se importarían (no se tienen equipos de este tipo en Uruguay) se intentó priorizar lo que se entendió mas importante a fin de bajar los posibles costos del servicio. (*) una constatación frecuente es que muchas veces los accesorios fallan por defectos no vinculados al ingreso de humedad, aunque el sistema de sellado sea deficiente. En el caso de empalmes, las condiciones de humedad del terreno (UTE utiliza cables diseñados para ser directamente enterrados) no han sido siempre determinantes, salvo en zonas puntuales con terrenos permanentemente saturados de agua. Normativa base para las especificaciones técnicas Para definir los requisitos técnicos generales, se referenció la norma IEEE como base [1], en tanto que es la única norma reconocida como específica para este tipo de pruebas, y por otro lado de cumplimiento garantizado por los potenciales oferentes. Dado que no existen en esta norma definiciones explícitas que relacionen las mediciones de los niveles de DP con criterios de aceptación-rechazo concretos, se asumió que la experiencia de la firma en este tipo de actividades de diagnóstico sería uno de los elementos de juicio al momento de la adjudicación. Elección de los tramos de muestra Dado que la primera experiencia de diagnostico en UTE de cables en servicio debía tener el carácter de prueba Piloto, se planteó la disyuntiva respecto de la elección de los circuitos de muestra. Por importancia se seleccionaron tramos de la red subterránea de 30 kv, que es la red subterránea de mayor nivel de tensión que tiene UTE-Distribución. Dentro de esta red, se priorizaron los cables XLPE, dado que los cables API (mas antiguos) no fallan en sus accesorios con la frecuencia (y tan fuera de los tiempos esperados) como los primeros. Medición On-line vs. Off-line Una vez determinada la detección de DP como objetivo básico, debió elegirse entre estos dos métodos posibles. La medición Off-line resultó mas atractiva, en tanto que es posible aplicar una mayor tensión de prueba que la tensión de red (de hecho se midieron DP hasta con 1,7 Uo) y por tanto en principio se entendió mas probable detectar puntos de potencial falla. Lógicamente esto implicó asumir las desventajas propias del método, básicamente, manejar un equipo de mayor tamaño y peso y sobretodo, sacar de servicio los circuitos, lo que implicó tiempos de corte debido a las inevitables maniobras para alimentar desde otro ramal. En cuanto a la frecuencia de la tensión de medida, no se planteó ningún requisito específico reconociendo que cada método tiene sus limitaciones (*), y con el fin de no limitar las posibles ofertas. (*) La norma IEEE de referencia de hecho describe cualitativamente las ventajas y limitaciones de cada método (VLF, OWTS, on-line con frecuencia de red etc) no definiendo una frecuencia normalizada o rango de frecuencias en particular para estas pruebas.

4 4 Metodología del servicio seleccionado Se utilizó finalmente el equipo ofrecido por la firma SEBAKMT, el cual utiliza el método básico de reflectometría asociado a una fuente tipo OWTS. El mismo además ofrecía la posibilidad de medir (indirectamente, a través de la atenuación de la onda de tensión) las pérdidas dieléctricas de los cables, si bien como se aclaró no era un requisito se utilizaron estas medidas para evaluar el estado general de los circuitos. Resultados de las mediciones A continuación se adjunta la siguiente tabla resumen de los nueve circuitos diagnosticados, con su correspondiente evaluación (fases L1, L2 y L3 designadas de izquierda a derecha en la celda de la estación origen): TABLA I DIAGNOSTICO CABLES 30 KV - RESUMEN DE RESULTADOS Localidad Id. Cable Sección Aislación R28 R147 R142 R2 Maldonado ---- San José ---- Salto ---- Canelones L9 Canelones ---- Largo (mts) 50 mm2 Cu API 1809 Al XLPE 1670 Al XLPE 2046 Al XLPE 3030 Al XLPE 2800 Al XLPE 1469 Al XLPE 5800 Al XLPE 3473 Al XLPE 5677 L1 L2 L3 tensión nominal Uo corresponde a un criterio adoptado por la firma que realizó el diagnóstico, no surge de ninguna normativa en particular. Los puntos encontrados de generación de DP en cada tramo coinciden en algún caso con empalmes localizados allí según planos. En otros tramos no se tenían datos, sin embargo el informe del diagnóstico observa que tal nivel de DP casi seguramente proviene efectivamente de empalmes de acuerdo a la experiencia de la firma. En algunos casos el equipo detectó DP en el terminal donde se conectó el equipo de prueba (notado como origen de las gráficas). Estas DP no necesariamente fueron adjudicadas a defectos del terminal del cable en sí, ya que existen otras posibles explicaciones de tal efecto: conexión al equipo defectuosa o bien la influencia de partes metálicas próximas. De cualquier forma tales terminales se mantienen en observación En algún caso directamente no fue posible hacer medición alguna ya que sin tensión aplicada el equipo medía descargas superiores al nivel de DP que se pretendía medir. No se pudo comprobar el origen de tal ruido de fondo, tal vez se introdujo a través del sistema de tierra de la estación producto de alguna actividad industrial cercana. Gráficos de localización Las graficas de localización de las fuentes de generación de DP son como se ve puntuales, muy probablemente indicando la presencia de empalmes de acuerdo a lo dicho anteriormente: Tendido con DP críticas: niveles de DP superiores a 1000 pc en empalmes (medido a Uo). Se recomienda reemplazarlos Tendido con DP no críticas: niveles de DP entre 500 pc y 1000 pc en empalmes (medido a Uo). Se aconseja un seguimiento, realizando otro ensayo dentro de 1 año. Tendido en buenas condiciones. No es necesario intervención alguna. Se entiende por buenas condiciones, los siguientes niveles de DP (medidos a Uo): DP < 500 pc en empalmes DP < 250 pc en terminales DP < 20 pc para tramos de cable XLPE DP < pc para tramos de cable API No fue posible aplicar el método debido al ruido de fondo detectado por el equipo en ambos extremos del tendido Al respecto cabe realizar los siguientes comentarios: Cada series de pruebas se realizó en forma escalonada desde 0,5Uo hasta 1,7Uo. Sin embargo, la valoración de los distintos estados de cada fase diagnosticada según el nivel de DP a la Fig. 5. Cable 3x1x500 mm² Al 18/30 kv XLPE, tramo 1469 mts. (los rectángulos pequeños en negro marcan empalmes previamente cargados, cuya posición es conocida y extraída de los planos del circuito)

5 Dificultades para la localización física de los empalmes detectados Tratándose de una primera experiencia piloto de diagnóstico se intentó (en algún caso en que se obtuvo la aprobación para hacerlo) validar la información obtenida removiendo uno de los empalmes, a efectos de confirmar físicamente que se trataba de estos componentes, y además para hacer su apertura y confirmar defectos de montaje como los vistos. 5 Fig. 6. Cable 3x1x500 mm² Al 18/30 kv XLPE, tramo 5800 mts. Aquí es donde se plantearon dificultades prácticas, ya que, en definitiva, estos puntos de generación de DP no son fallas dieléctricas en sí y por tanto no son eficaces los métodos tradicionales para encontrarlas, como ser el uso de quemadores ni tampoco generadores de audio para detección cercana. Tampoco se disponía de ningún elemento que fuera capaz de detectar en sitio el efecto de estas PD, y es dudoso que pudieran ser efectivos desde el nivel del suelo estando el cable enterrado incluso a mayor profundidad que la prevista. En resumen, en el caso en que se intentó la remoción, el error normal que suele tener el método de reflectometría no permitió encontrar el empalme recomendado como elemento a cambiar. Medición de las pérdidas dieléctricas Dado que el equipo de detección OWTS utilizado también estima las pérdidas dieléctricas se procedió a tomar registro de los tramos objeto de diagnóstico: TABLA II PÉRDIDAS DIELECTRICAS (%) Fig. 7. Cable 3x1x500 mm² Al 18/30 kv XLPE, tramo 5677 mts. Fig. 8. Cable 3x1x500 mm² Al 18/30 kv XLPE, tramo 2046 mts. Localidad Id. Cable Sección Aislación Largo (mts) L1 L2 L3 R28 50 mm2 Cu API ,6 0,6 0,6 R147 Al XLPE ,1 0,1 0,1 R142 Al XLPE ,1 0,1 0,1 R2 Al XLPE Maldonado ---- Al XLPE ,1 0,1 0,1 San José ---- Al XLPE ,1 0,1 0,1 Salto ---- Al XLPE ,1 0,1 0,1 Canelones L9 Al XLPE ,9 0,8 0,8 Canelones ---- Al XLPE ,2 0,2 0,2 Nótese el valor de pérdidas medido del circuito L9, demasiado alto para ser cable XLPE, mayor incluso que las pérdidas del cable API del circuito R28. Como se verá esta nota de advertencia tuvo su verificación empírica algún tiempo mas tarde del diagnostico realizado.

6 6 Comportamiento de los circuitos diagnosticados hasta la fecha Habiendo transcurrido un año y 9 meses aproximadamente desde la realización del diagnóstico (UTE decidió no intentar nuevas remociones de tramos de red con empalmes) se resume el estado de los circuitos de muestra y los eventos a la fecha: a) Los empalmes cuya actividad de DP detectó el equipo en los lugares que se observan en las figuras 5 a 8, aún no han fallado. A nivel de conjetura, y a efectos de explicar el porqué de este comportamiento, es importante considerar que los niveles máximos de DP encontrados a Uo (1600 pc) no son demasiado mayores que el nivel arbitrario para el cual se recomienda la remoción del elemento. De cualquier forma, se mantiene en observación estos circuitos, dado que la falla y su posterior análisis aportará como se dijo mucha información útil relacionada con esta experiencia piloto. b) Sí ocurrieron fallas en algunos empalmes del circuito L9. Cuando se analizaron las piezas removidas de la red, se constató presencia de agua dentro de los empalmes, lo cual causó la falla. También se detectó oxidación en las pantallas de los cables empalmados, en un tramo de longitud no evaluada hacia un lado y otro de los empalmes (el motivo o causa raíz de las fallas se debió a la ausencia de bloqueo de humedad en los empalmes, de modo que varios de ellos han sido puntos de ingreso de agua al sistema. Los tramos afectados se encontraban instalados en suelos permanentemente saturados de agua). Este evento es totalmente consistente con el nivel de pérdidas dieléctricas detectado en el circuito (ver tabla II). También se confirma empíricamente que no es efectivo el diagnostico de DP si el cable a diagnosticar tiene un nivel muy alto de humedad en el dieléctrico como en este caso, y que en definitiva son problemas que deben tratarse con metodologías diferentes de ensayo. IV. CONCLUSIONES A nivel de primera experiencia en UTE, el servicio de diagnóstico contratado ha permitido descubrir varias de las potencialidades y limitaciones del método, eventuales dificultades a futuro a efectos de implementar un sistema de Mantenimiento Predictivo, y también reforzar algunas decisiones ya tomadas por la Empresa: La muestra de circuitos tomada permite confirmar que se tienen en la red en servicio cables con potenciales puntos de falla. A juicio de la firma que realizó el diagnóstico, es altamente probable que sean empalmes y en algunos casos estos puntos detectados coinciden con empalmes ya localizados en los planos (ver fig. 5). A efectos de sacarle el máximo provecho a los datos que puede entregar un servicio de diagnóstico, es necesario disponer de una base de datos confiable, en la cual estén referenciados los puntos notables de un circuito de cable (empalmes rectos, empalmes de transición, cambios de sección y tipo de cable) con la precisión suficiente como para que sea posible su rápida ubicación, si se pretende actuar en esos puntos. Si se quiere ser exhaustivo en el análisis del estado de las redes, es necesario apuntar a todos los posibles efectos de los errores de montaje en accesorios de cable. Claramente esta experiencia demostró que el análisis de DP no es suficiente. Nuevos diagnósticos que apunten específicamente a la detección del ingreso de humedad en los aislantes, e incluso verificación de water treeing en tramos de cable removidos de la red serían necesarios (en el circuito L9 mencionado es al menos probable que exista este fenómeno, ya que varios tramos de cable están afectados por el ingreso de agua desde los empalmes y a través de la pantalla metálica de los mismos) Las mediciones realizadas de la variable de diagnóstico que interese, (PD, tg delta) deben repetirse en el tiempo, ya que no existe posibilidad de establecer tiempos hasta la falla seguros en función de las magnitudes medidas. Esto establece de por sí la disyuntiva, si se quiere establecer un plan de Mantenimiento Predictivo, respecto de la compra del equipo y formación de un plantel de técnicos especialistas en estas mediciones, o bien la contrata permanente del servicio. Es claro que si un defecto de montaje en accesorios no es corregido o eliminado por la simple inspección visual en obra, su detección implica necesariamente un equipo y un método que además de tener limitaciones técnicas inevitables, implica un costo importante para la empresa. Esto refuerza el concepto de que el primer paso para mejorar el índice de fallas y por ende la calidad del servicio a mediano y largo plazo, debe ser siempre la Formación y su continuidad en el tiempo. Solo asegurado este punto, adquiere sentido plantearse el posterior mantenimiento en base a este tipo de mediciones. V. REFERENCIAS [1] IEEE Guide for Partial Discharge Testing of Shielded Power Cable Systems in a Field Environment, Norma IEEE Std 400.3, 2006 VI. BIOGRAFÍAS Daniel Scanagatta Nacido en, Uruguay, el 25 de Febrero de Estudió en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República, obteniendo su título de Ingeniero Electricista en Abril de Actualmente se desempeña como Jefe de Departamento de la Subgerencia de Normalización, unidad dependiente de la Gerencia de Proyectos y Normalización de la División Redes de Distribución, UTE.