Décimo Quinto Encuentro Regional Ibero-americano del CIGRÉ Foz de Iguazú-PR, Brasil 19 al 23 de mayo de 2013

Transcripción

1 EXPERIENCIAS EN TECNICAS DE INSPECCION A NUCLEOS MAGNETICOS DE HIDROGENERADORES A. Salazar Comisión Federal de Electricidad, LAPEM RESUMEN Se evalúan las técnicas de medición para la detección de puntos calientes en núcleos de estator de hidrogeneradores, desde el ensayo clásico tradicional de Alto Flujo Magnético Circunferencial/Termovisión versus la técnica más reciente de Detección de Imperfecciones Electromagnéticas en Núcleos ELCID. La aplicación de estas pruebas en turbogeneradores han sido muy satisfactorias a la fecha; sin embargo, la ejecución y diagnóstico en hidrogeneradores presenta una problemática única de efectos y parámetros que requieren personal especializado para un diagnóstico cualitativo y cuantitativo de resultados, teniendo especial relevancia los entrehierros de segmentos de laminación no presentes en los turbogeneradores, entre otros aspectos. Se analiza la interpretación de los errores más comunes e inherentes que causan problemas durante la ejecución y el diagnostico de ambas técnicas. El presente estudio condensa lo más significativo de la experiencia obtenida en la detección de puntos calientes en laminados de estator de hidrogeneradores mediante casos de estudio muy relevantes con fallas en servicio que provocaron falla del aislamiento principal a tierra de los devanados del estator y fusión significativa de la chapa magnética. Finalmente, se analizan los criterios de aceptación y de mantenimiento para reparaciones de núcleos magnéticos de hidrogeneradores, siendo el propósito principal no el seleccionar un solo método, sino de ponderar los pros y contras de cada uno, de forma que se puedan complementar conforme a los requerimientos específicos de la inspección. PALABRAS-CLAVE Generadores hidraulicos, núcleo magnético, pruebas de diagnóstico, rehabilitación, mantenimiento correctivo, mecanismos de falla. 1 / 8

2 1. INTRODUCCIÓN Los núcleos de estatores de maquinas eléctricas son construidas a partir de delgadas laminaciones de acero las cuales están cubiertas por una delgada capa de aislamiento eléctrico para prevenir que el flujo magnético rotatorio entorno al núcleo induzca corrientes de eddy entre laminaciones. En la mayoría de generadores las laminaciones están conectadas eléctricamente a través de barras pasantes que conforman el esqueleto del núcleo en forma de una jaula de ardilla, de modo que si existe algún defecto en cualquier otro sitio del laminado, se formara una trayectoria de falla a través de las corrientes inducidas por el flujo rotatorio. Los puntos calientes pueden desarrollarse en operación debido al ingreso de cuerpos extraños dentro del núcleo o al degradamiento del aislamiento interlaminar. Si no se detecta y corrige oportunamente dicha anormalidad, los puntos calientes pueden dañar el aislamiento interlaminar adyacente y el devanado mismo del estator llegando a incurrir en fallas catastróficas que ponen en alto riesgo la integridad del generador y del personal operativo del mismo. Para detectar posibles puntos calientes en núcleos de estator se requiere remover el rotor e instalar un devanado toroidal para producir un flujo circunferencial entorno al núcleo, bien sea de alto o bajo flujo magnético según la técnica de prueba utilizada. 2. OBJETIVO Evaluar las técnicas de medición para la detección de puntos calientes en núcleos de estator de hidrogeneradores, e interpretar los errores más comunes e inherentes que causan problemas durante la ejecución y el diagnostico de las pruebas ELCID y TOROIDE/TERMOVISION. 3. TECNICAS DE INSPECCION 3.1 Circuito de Alta Potencia de Flujo Magnético Circunferencial/Termovisión Previos cálculos referidos al IEEE Std. 56, se instala un circuito de cable grueso entorno al hueco del núcleo en forma toroidal y concéntrica con el eje axial del estator, normalmente se requieren de 5 a 15 vueltas. Se energiza el circuito con alta tensión para excitar el núcleo a niveles operacionales de densidad de flujo (normalmente de 1 a 1.5 Teslas). En seguida, se puede explorar el área total de la estructura del núcleo con una cámara de termovisión que disponga de lentes gran angular para explorar grandes porciones de la superficie y lentes telefoto para vigilar de cerca los puntos de elevadas temperaturas. El examen total se efectúa desde el interior del núcleo. Las áreas de calentamiento localizadas en la superficie son fácilmente detectables al principio de la prueba en contraposición con el calentamiento bajo la superficie que toma hasta una hora posterior a la energización del circuito. 3.2 Detección de Imperfecciones eléctromagnéticas ELCID Recientemente se ha venido utilizando la técnica conocida como ELCID -Electromegnetic Core Imperfection Detector- desarrollado por CERL. Esta prueba también requiere de un devanado de flujo toroidal que utiliza solamente el 4% del flujo nominal de la maquina e induce pequeñas corrientes que fluyen a través de cualquier región dañada del núcleo. El calentamiento de estas corrientes es insignificante, no obstante estas pueden ser detectadas y medidas electromagnéticamente. La forma de detección de dichas corrientes inducidas es mediante el desplazamiento de una bobina recolectora de campo magnético denominada CHATTOCK (ROGOWSKY) a lo largo y ancho del núcleo del estator, 2 / 8

3 obteniéndose un registro digital de las mismas para su análisis. Cualquier área dañada del núcleo se reflejara como picos máximos en los graficas desplegadas por el equipo. La siguiente tabla resume las ventajas y desventajas de ambas técnicas Evaluación Consideración Tecnica de detección Toroide ELCID seguridad hombre mínimo ninguno máquina mínimo ninguno logistica tiempo (horas) material extenso mínimo equipo considerable mínimo personal calidad de presición buena Alta información subjetividad observador moderada Baja detección fallas bajo la superficie limitada Si condiciones opereativas alto flujo T bajo flujo 0-4% Nom. otros beneficios calentamiento del núcleo si No vibración núcleo si No posibilidad probar parcialmente no Si 3.3 Consideraciones preliminares Antes de intentar buscar una correspondencia de la medición de ELCID y Alto Flujo Magnético Circunferencial/Termovisión es necesario conocer e identificar posibles distorsiones que afectan la correspondencia entre la medición y la condición física del daño. Entre las causas más comunes a considerar están: Formas alternativas de disposición del devanado de excitación. Desalineación del devanado de excitación con respecto al eje axial del núcleo Efectos de proximidad entre el sensor Chattock, el devanado de excitación y entre los cabezales del devanado del estator Errores más frecuentes cometidos durante la ejecución de las mediciones a) Toroide/Termo vision Fuentes de distorsión Cuerpos luminosos Angulo de la medición del termograma Emisividad Interpretación de Termogramas Causas de la distorsión Reflejo del cuerpo luminoso Se tienen ángulos mayores a a 30 C, y la recomendación es tomar el termograma perpendicular a la superficie del cuerpo. No se determina adecuadamente la emisividad del la superficie a termografiar No se tiene el nivel adecuado de certificación, se sugiere un termógrafo nivel 2. 3 / 8

4 b) ELCID Fuentes de la distorsión Discontinuidad del circuito magnético: Entrehierros de segmentos, ductos de ventilación Proximidad de la bobina de excitación al sensor Chatock Proximidad de la bobina de excitación a los devanados del estator. Disposición de la bobina de excitación Causas de la distorsión Cambio de permeabilidad del flujo magnético, acero al silicio-aire-acero al silicio El campo magnético de la corriente El flujo esta significativamente reforzado por el campo electromagnético El flujo del núcleo depende de la distancia de los cables al núcleo. 3.4 Criterios de evaluación propuestos A través de la experiencia de campo adquirida y prácticas recomendadas por algunos fabricantes de generadores se proponen lo siguiente: Prueba Pruebas de aceptación Pruebas de mantenimiento Aceptable Investigación Reparación Aceptable Investigación Reparación ELCID (ma) > > 400 TOROIDE (ºC) < > 10 < a 20 > CASOS DE ESTUDIO 4.1 Caso de studio I: Generador 80 MVA, 13.8 kv, 504 ranuras, diámetro interior 9 m Prueba de ELCID Fig. 1: Detección de falla en fondo de ranuras 250 A / 8

5 Fig. 2: Detección de fallas internas en R Prueba de alto flujo circunferencial magnético/termovisión Fig. 3 y 4: Termograma y foto correspondiente a las ranuras 252, 253 Y Análisis del Caso: La causa raíz del problema fueron fugas continuas y significativas de aceite de chumaceras que degradaron el aislamiento interlaminar en los extremos inferiores del núcleo, lo cual permitió la vibración libre de paquetes de laminaciones que con la operación continua del generador terminaron fracturándose e incrustándose en el aislamiento principal de los devanados ocasionando una falla catastrófica del generador en núcleo y devanados. 5 / 8

6 4.2 Caso de Estudio II: Generador 125 MVA, 16.5 kv, 24 polos, 300 RPM Fig. 5: Falla súbita del aislamiento de barra de estator Figura 6: Fusión del laminado del estator Prueba de ELCID TENDENCIA DE LA CORRIENTE DE FALLA RAN 236 DEL NUCLEO DE ESTATOR U I (ma) Reparación y Medición No. Figuras 7 y 8: Evolución y trazi final de La prueba de ELCID 6 / 8

7 4.2.2 Prueba de Alto flujo Magnético Circunferencial/Termovisión Fig. 9: Termograma com diferencial térmico en R 236 con 20.8 C ( C) Análisis del caso II La causa raíz de la falla se derivo de mecanismo de degradación interna y externa del volumen del aislamiento principal a tierra, ya que la barra extraída y analizada en laboratorio mostró las siguientes evidencias 1. Oxido de cobre en subconductores internos derivado de humedad por aguas negras que penetraron por capilaridad al aislamiento. 2. Degradamiento de revestimientos graduadores de campo eléctrico, carburo de silicio y pintura semiconductora. 5. CONCLUSIONES Los diferentes casos de estudio analizados muestran la efectividad de las técnicas analizadas presentando una alta correlación entre ellas mismas. Es posible que ambas pruebas no puedan detectar algún daño, ya que ninguna prueba simula completamente los esfuerzos magnéticos, mecánicos y térmicos en condiciones normales de servicio. Estos factores pueden influir en el contacto eléctrico entre laminaciones en las barras que conforman el esqueleto del estator descrito con anterioridad. El propósito de esta presentación no es la de seleccionar un solo método, sino de ponderar las ventajas y desventajas de cada uno, de forma que se pueda seleccionar la técnica mas apropiada para las circunstancias especificas de la inspección. 7 / 8

8 6. BIBIOGRAFIA 1. IEEE 56 Reaff 1991 Guide for Insulation Maintenance of Large Alternating Current Rotating Machinery 2. IEEE Std , Guide for Test Procedures for Syncronous Machines Part I-Acceptance and Performance Testing, Part II-Test Procedures and Parameters Determination for Dynamic Analysis. 3. J. Shutton, Theory of Electromagnetic Testing of Laminated Stator Cores. 4. J.E. Timperley, Machine Stator Iron Evaluation Though the Use of Resonant Ciorcuits, IEEE septiembre C. Rickson, C Eng. M.I.E.R.E., Electrical Machine Core Imperfection Detection, IEE PROCEEDING, VOL 133, Mayo / 8