La instrumentación de los generadores de potencia con sistemas de monitoreo en línea,

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1 Experiencias en la instrumentación de generadores de potencia con el Sistema de Análisis de Generadores en Línea AnGeL, para el diagnóstico del estado del aislamiento interno Jaime Carrillo C. y José T. Ramírez N. Resumen La instrumentación de los generadores de potencia con sistemas de monitoreo en línea, permite al personal responsable de su operación determinar el estado del aislamiento de los devanados del estator y rotor, así como emitir un diagnóstico oportuno de posibles anomalías, implantar programas de mantenimiento predictivo, reducir costos e incrementar su confiabilidad (Greg C. Stone et. al, 2004). Se presentan las experiencias de los últimos cinco años en la puesta en operación del Sistema AnGeL; se describe la problemática a la que son sometidos estos equipos dentro del ambiente intrínseco del área donde se instalan en los turbogeneradores e hidrogeneradores, y por último, se analizan y discuten las experiencias en la puesta en servicio de los sistemas de monitoreo. Introducción El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) diseñó un sistema para el Análisis de Generadores en Línea, denominado AnGeL, que permite medir en los turbogeneradores, los niveles de descargas parciales en cada una de las fases del generador, la presencia de cortos circuitos o anomalías en el rotor, las corrientes de flecha que circulan a través de las escobillas de puesta a tierra y el análisis de las corrientes de neutro para determinar el desbalance electromagnético de la unidad (Reyes M., De la Torre V, Boletín IIE, 2005). Además, permite monitorear las variables de operación, voltajes, corrientes y factor de potencia. La versión AnGeL 2008 para hidrogeneradores incluye una nueva generación de módulos de adquisición de datos inteligente, que considera tanto la medición de excentricidad en el entrehierro, como la medición de las señales de voltajes y corrientes de fase. Para el caso de los hidrogeneradores, el sistema puede medir los mismos parámetros que en los turbogeneradores, también niveles de descargas parciales en cada una de las salidas de los capacitores instalados en el interior de sus devanados, en aquéllos que cuenten con ellos. A diferencia de la medición para los cortos circuitos en el rotor, en los hidrogeneradores se mide la excentricidad en el entrehierro a través de los sensores magnéticos de núcleo. Las corrientes de flecha se miden a través de bobinas de Rogowski colocadas en la flecha del rotor. Este artículo solamente describe las principales partes hardware del sistema AnGeL, con las que se han instrumentado los generadores en los últimos cinco años. 66

2 abril-junio-09 Generadores instrumentados de 2003 a 2008 con el AnGeL Treinta y dos generadores han sido instrumentados con el sistema AnGeL en los últimos cinco años: seis en hidroeléctricas y veintiséis en termoeléctricas. Con el sistema AnGeL 2003 se instrumentaron seis generadores en el Complejo Termoeléctrico Manzanillo (De la Torre V. et. al, Boletín IIE, 2005). Esta versión permitió hacer los primeros diagnósticos a través de la medición de los niveles de descargas en cada una de las fases del generador, la presencia de cortos circuitos o anomalías en el rotor, las corrientes de flecha que circulan a través de las escobillas de puesta a tierra y el análisis de las corrientes de neutro para determinar el desbalance electromagnético de la unidad. En el año 2005, gracias a la experiencia de los dos años anteriores, se incluye en el sistema AnGeL un módulo propio para la medición de las corrientes y voltajes de fase, instrumentando con este tipo de sistema cuatro generadores en la Central Termoeléctrica (CT) Tuxpan. En ese año también se desarrolló el concepto de un sistema AnGeL portátil, instrumentando sólo con sensores dos generadores en la CT Petacalco, dos en la Central Carboeléctrica (CC) Carbón II y dos en la CT Tula, monitoreados con este sistema. La versión AnGeL 2006 introduce nuevos desarrollos. En la cadena de medición de las descargas parciales se incorporaron capacitores de acoplamiento e impedancias de medición resistivas, ambos del tipo robusto. Los sistemas de adquisición de datos se instalaron en gabinetes tipo rack de 19 en el área del cuarto de control. En este año se instrumentaron en forma completa seis generadores de Petacalco y tres de Carbón II. Figura 1. Arquitectura del Sistema AnGeL 2008, para hidrogeneradores. En 2007 se desarrolló la versión AnGeL 2007 para hidrogeneradores, y se instrumentó el generador 3 de la Central Hidroeléctrica (CH) Caracol. En esta versión, los niveles de descargas parciales se miden a través de capacitores instalados en el interior de sus devanados. Las corrientes de flecha se miden a través de una bobina de Rogowski. Este mismo año se instrumentaron tres generadores en Tula y dos en Tuxpan, utilizando la versión AnGeL La versión AnGeL 2008 para hidrogeneradores (figura 1), incluye una nueva generación de módulos de adquisición de datos inteligente, que considera tanto la medición de excentricidad en el entrehierro, como la medición de las señales de voltajes y corrientes de fase. Con esta versión se instrumentaron cuatro generadores de la CH Peñitas y se modernizaron los sistemas AnGeL de los seis generadores del Complejo Termoeléctrico Manzanillo. 67

3 En la tabla 1 se indican los 32 generadores instrumentados a la fecha, con las versiones de Sistemas: AnGeL2003 (años ), AnGeL 2006 (años 2006 y 2007) y AnGeL Tabla 1. Generadores instrumentados con el Sistema AnGeL. Generador No. G1 G2 G3 G4 G5 G6 Centrales eléctricas Manzanillo Manzanillo Tuxpan Petacalco Carbón I II II Tula Chicoasen Caracol Peñitas El Sistema AnGeL 2008 actual Las experiencias en la instrumentación de los generadores han permitido realizar innovaciones en varias de las partes del sistema AnGeL, las cuales se describen a continuación. Sistema AnGeL del año Capacitores de acoplamiento Se diseñaron y construyeron montajes especiales para los capacitores de acoplamiento empleados, para alta y baja tensión. Estos accesorios se personalizaron con base en los requerimientos eléctricos, térmicos, mecánicos, físicos y de mantenimiento de los puntos de instalación (figura 2). Figura 2. Accesorios de montaje para los capacitores. Sensor para medición de descargas parciales La generación actual de este dispositivo emplea una impedancia de medición resistiva, (figura 3). Sus características de robustez, conectores de apriete mecánico para conexión al capacitor y puesta a tierra, conector militar para el cable de medición y su arnés del cable de medición, facilitan la instalación y proporcionan protección para el ambiente intrínseco del área donde se instalan. Figura 3. Sensor para medición de descargas parciales. 68

4 abril-junio-09 Preamplificador para la medición de descargas parciales Figura 4. Preamplificadores y arneses de cables para medición de descargas parciales. Los nuevos preamplificadores cuentan con conectores militares y arnés de cables para medición. Las ganancias permiten llevar las señales a distancias del orden de 150 m. Son de fácil instalación y soportan el ambiente hostil del área donde operan (figura 4). Bobina exploradora para medición del flujo magnético en el entrehierro de turbogeneradores Las bobinas exploradoras actuales pueden ser instaladas en puntos centrales del estator del generador, sin requerir la extracción de cuñas. Permiten medir los campos magnéticos radial o tangencial cercanos a las bobinas del rotor y son de fácil instalación (figura 5). Bobina exploradora para medición de excentricidad en el entrehierro de hidrogeneradores Figura 5. Bobina exploradora para turbogeneradores. Se diseñaron bobinas exploradoras especiales para la instalación en el entrehierro de hidrogeneradores, que permiten medir la excentricidad (figura 6). Dado que el entrehierro en estos generadores es del orden de 1.5 cm a 2.5 cm, las bobinas tienen espesores de 3 mm y se instalan sobre las cuñas del estator. Éstas pueden ser de dos tipos: radial y tangencial. Transformador de corriente para la medición de corriente de flecha Este dispositivo es robusto y cuenta con conectores de glándula para apriete mecánico. Es instalado para medir la corriente de puesta a tierra de las escobillas de la flecha del rotor. Cuenta con blindaje electromagnético que reduce la interferencia producida por los elevados niveles de campo magnético en la cercanía del generador. El Sistema AnGeL es compatible con la señal de salida proveniente de la bobina de Rogowski, para el caso de hidrogeneradores (figura 7). Figura 6. Bobina exploradora para medición del entrehierro, CH El Caracol. Figura 7. TC (arriba) y Bobina de Rogowski (abajo), para medición de la corriente de flecha. 69

5 Transformador de corriente para la medición de corriente de neutro Figura 8. TC para la medición de corriente en el neutro. Los transformadores de corriente (TC) permiten ser instalados en barras, varillas o cables de cobre. Los puntos de instalación típicos se localizan en los gabinetes del transformador de puesta a tierra del neutro, de los generadores eléctricos (figura 8). Gabinetes de interconexión Los gabinetes de interconexión Gcxn permiten proteger los acondicionadores de señal, los módulos de adquisición de datos locales y las tablillas terminales que recolectan los cables de medición de los sensores instalados en los diferentes puntos del generador. Estos gabinetes se encuentran entre los sensores y el sistema de adquisición de datos. Se ubican en la cercanía de los generadores (figura 9). Sistemas de adquisición de datos inteligente Figura 9. Gabinete de interconexión Gcxn. Se diseñó una nueva generación de módulos de adquisición de datos inteligente, denominado SADI, el cual permite la medición de seis variables analógicas independientes y cuenta con comunicación Ethernet para la transmisión de la información. Actualmente se está empleando para la medición de excentricidad en el entrehierro y para la medición de las señales de voltajes y corrientes de fase (figura 10). Figura 10. Sistema de adquisición de datos inteligente, SADI. Figura 11. Gabinete de adquisición de datos Gsad. Gabinete contenedor de los sistemas de adquisición de datos El gabinete de adquisición de datos, Gsad, es del tipo rack de 19 y permite alojar los módulos de adquisición de datos para el monitoreo de dos generadores. Cuenta con varios accesorios y equipo periférico para aumentar la funcionalidad del sistema (figura 11). El gabinete está diseñado para instalarse en el área de gabinetes del cuarto de control, aproximadamente a 150 m de los sensores ubicados en el generador. 70

6 abril-junio-09 Desde el punto de vista del hardware, la nueva versión del Sistema AnGeL cuentan con: Sistema de adquisición de datos que permite la medición y registro de las formas de onda de las variables medidas. Capacidad para medir de una a doce señales de descargas parciales. Permite la medición del flujo magnético en el entrehierro para la detección de corto circuitos en el rotor y problemas en el sistema de excitación. Modularidad para su integración e instalación en sitio. Módulos inteligentes para la medición de excentricidad, voltajes y corrientes. Cuenta con protecciones y blindaje electromagnético en toda la instrumentación. Conclusiones La experiencia obtenida al instrumentar 32 generadores ha permitido contar con un sistema AnGeL versátil para turbogeneradores e hidrogeneradores. El sistema es una herramienta indispensable para que el personal responsable de la operación de los generadores, emita un diagnóstico oportuno de posibles anomalías de sus unidades. Los sistemas AnGeL han evolucionado y paulatinamente se ha incorporado la nueva tecnología existente. Para su desarrollo se ha requerido de un grupo multidisciplinario de personas que incluye expertos de diferentes especialidades. Para instrumentar en campo este sistema de monitoreo se requieren dos etapas. La primera, que considera la construcción, pruebas en laboratorio, suministro e instalación de los módulos de sensores. La segunda, considera el suministro de los sistemas de adquisición de datos, la instalación, calibración y puesta en operación del sistema. Es indispensable considerar las salidas a mantenimiento de las unidades para programar la instalación de los sensores. El Sistema AnGeL se encuentra hoy con la madurez requerida para ser transferido a una empresa para su fabricación industrial. Reconocimientos Agradecemos a las personas de los grupos de trabajo que han participado en el desarrollo de los Sistemas AnGeL, en especial a la Gerencia de Ingeniería Eléctrica de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), por las facilidades proporcionadas para la instrumentación de sus generadores de las centrales termo e hidro eléctricas. Referencias Greg C. Stone, Edward A. Boulter, et. al. Electrical insulation for rotating machines, IEEE Press Series on Power Engineering Reyes M., De la Torre V. Sistema AnGeL: aspectos teórico-prácticos para el diagnóstico de generadores en operación, en: Boletín IIE, abril-junio del 2005, p De la Torre V., Ramírez N., Pascacio S., Reyes M., Carrillo C., Iturbe F. y Ponce de León V. Sistema AnGeL para el diagnóstico de generadores en operación, en: Boletín IIE, abril-junio del 2005, p

7 JAIME CARRILLO CORONA Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en Fue profesor de la Escuela Nacional de Estudios Profesionales Aragón, perteneciente a la UNAM, de 1979 a En 1980 ingresó al IIE como investigador del Departamento de Equipos Eléctricos; ha dirigido proyectos relacionados con sistemas automatizados para laboratorios de pruebas a equipos eléctricos, sistemas de monitoreo en línea para transformadores y generadores de potencia, e ingeniería del producto para el desarrollo de sistemas de monitoreo. Actualmente es el jefe de proyecto de la instrumentación de los generadores de potencia con los sistemas para el análisis de los generadores en línea, AnGeL, contratado por la Comisión Federal de Electricidad. Fue miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con nombramiento de Investigador Nivel I de 1986 a Obtuvo su reingreso en Ha sido responsable de numerosos proyectos contratados con empresas como la Comisión Federal de Electricidad (CFE), Condumex, S.A. de C.V., y el Sistema de Transporte Colectivo (METRO). JOSÉ T. RAMÍREZ NIÑO [jtrn@iie.org.mx] Ingeniero Mecánico Eléctrico en 1974 y Maestro en Electrónica en 1980, por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y Doctor en Ciencias e Ingeniería de Materiales en 1998, por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Ingresó al IIE en 1981, desempeñándose como investigador en el Departamento de Comunicaciones que pertenecía a la División de Sistemas de Control. Actualmente forma parte de la Gerencia de Equipos Eléctricos de la División de Sistemas Eléctricos, siendo responsable del grupo de Instrumentación Electrónica para el Diagnóstico de Equipos Eléctricos. En principio trabajó en la línea del procesamiento y análisis de señales, posteriormente en el área de desarrollo de equipos terminales de Fibra Óptica, tanto para el acarreo de señales, como para la medición de parámetros físicos. Su especialidad es el diseño electrónico, la instrumentación y el análisis de señales. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) con nombramiento de Investigador Nivel I desde 1986 a la fecha. Ha participado en la realización de ocho patentes relacionadas con técnicas de medición y equipos electrónicos; ha realizado numerosos artículos nacionales e internacionales, y ha dirigido numerosas tesis de licenciatura y maestría. 72