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Sistema de diagnóstico paraboquillas en equipos de altatensiónJosé Ramírez NiñoOscar Escorsa MoralesErnesto López Azamar

La Gerencia de EquiposEléctricos del Instituto deInvestigaciones Eléctricasdesarrolló para el Lapem unsistema que mide corrientescapacitivas de boquillas detransformadores de potencia.Este sistema se diseñó con elfin de instalarse en untransformador de máquina de400 kV en la centraltermoeléctrica de Tula,Hidalgo, de la ComisiónFederal de Electricidad.

Resumen

Las boquillas empleadas enlos equipos eléctricos de altatensión, como

transformadores de potencia einterruptores, constituyen loselementos que presentan mayorriesgo de falla. Por otro lado, lasfallas en las boquillas provocan enla mayoría de los casos dañoscatastróficos que ponen en riesgo alpersonal de mantenimiento de laplanta y al equipo periférico. Con lafinalidad de aportar técnicas demonitoreo en línea que indiquen elestado de las boquillas y quepermitan prever su posible falla, elInstituto de InvestigacionesEléctricas (IIE) realizó para elLaboratorio de Pruebas de Equiposy Materiales (Lapem) de laComisión Federal de Electricidad(CFE), un proyecto para eldesarrollo de un sistema para lamedición de corrientes capacitivasen estos equipos. Este sistema

permite determinar la variación encapacitancia y pérdidas dieléctricas,y determina la presencia dedescargas parciales internas enboquillas de 115, 230 y 400kV. Conesta información es posibledeterminar el estado del aislamientointerno de las boquillas y retirarlasdel servicio antes de que seproduzca un deterioro que ponga enpeligro la integridad del equipo.

La Gerencia de EquiposEléctricos del Instituto deInvestigaciones Eléctricasdesarrolló para el Lapem un sistemaque mide corrientes capacitivas deboquillas de transformadores depotencia. Este sistema se diseñó conel fin de instalarse en untransformador de máquina de 400kV en la central termoeléctrica deTula, Hidalgo, de la ComisiónFederal de Electricidad.

IntroducciónLa falla de un transformador depotencia ocasiona problemas graves

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La conexión del “tap capacitivo” a tierrarepresenta un punto débil en el diseño y escomún encontrar que internamente no existeuna conexión confiable.

en la transmisión y distribución de energía eléctrica,entre ellos la disminución en la continuidad delsuministro de energía, pérdidas económicasconsiderables, se pone en riesgo la vida del personal demantenimiento y se ocasionan daños al equipo periféricoy al medio ambiente.

En México, las estadísticas de fallas entransformadores de la Comisión Federal de Electricidadindican que las boquillas representan 26.98% del total defallas ocurridas en estos equipo, de ahí la importancia decontar con técnicas de monitoreo en línea de boquillasque permitan determinar el estado de operación y tomarla decisión de retirarla de servicio antes de su falla.

Aspectos principales de diseño en boquillasde alta tensiónEl aislamiento interno de las boquillas de equipos detransmisión es papel impregnado en aceite, el cual sedevana alrededor del conductor formando un cilindroconcéntrico. La graduación del campo eléctrico se lograintercalando una serie de electrodos cilíndricosconcéntricos separados equidistantemente. La longitudde los electrodos se varía para lograr una distribución decampo eléctrico uniforme; a este tipo de boquillas se ledenomina boquilla tipo capacitiva.

Las boquillas tipo capacitivo están provistas deuna conexión denominada “tap capacitivo” que conectael lado de baja tensión del último capacitor a tierra,como se indica en la foto 1. Esta terminal se utilizanormalmente como capacitor de acoplamiento paramedir los niveles de descargas parciales y tangente depérdidas del transformador fuera de línea. El valor típicode la capacitancia entre el conductor de alta tensión y el“tap capacitivo” es de 400 pF y la capacitancia entre el“tap capacitivo” y la referencia de tierra es de 2000 pF yson denominados comúnmente como C

1 y C

2. Los

valores de las capacitancias C1

y C2 dependen del voltaje

y la corriente de la boquilla.

Principales mecanismos de deterioro deboquillasLa conexión del “tap capacitivo” a tierra representa unpunto débil en el diseño y es común encontrar queinternamente no existe una conexión confiable. La CFE

ha tomado providencias a este respecto, especificandoque la conexión entre el tap capacitivo y el foil externodel último capacitor sea robusta. Esto no evita quealgunas boquillas que están instaladas tengan talproblema. La construcción de las boquillas se trata de unarreglo en serie; si se pierde la conexión a tierra, elúltimo capacitor tiende a adquirir el voltaje del electrodode alta tensión, quedando como aislamiento una pequeñapelícula de aceite, que cuando se rompe se generandescargas parciales. Las descargas perforangradualmente el papel formando una trayectoriacarbonizada que deteriora el aislamiento en forma radialcomo se observa en la foto 2.

Actualmente se utiliza la medición decapacitancia y tangente de pérdidas fuera de línea comoun parámetro para determinar si una boquilla tiene el tapcapacitivo flotado. Las mediciones se efectúan a unatensión de prueba extremadamente baja, comparadas conel voltaje de operación de estos dispositivos. Se utilizansólo 12 kV de prueba en equipos que operan en sistemasde 115, 230 o 400 kV.

Aunque se han logrado identificar varias fallas,el margen para introducir otras técnicas de prueba esmuy amplio. Es importante detectar problemas enboquillas desde su inicio para que los ingenieros demantenimiento tomen las medidas necesarias. La

Foto 1. Boquilla de alta tensión bajo prueba.

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Para el monitoreo en línea de boquillas esposible aprovechar el “tap” capacitivo parainstalar un sensor en forma permanente,manteniendo su conexión a tierra. La filosofíadel monitoreo en línea de boquillas se basaprincipalmente en detectar las variaciones decapacitancia, tangente de pérdidas y mediciónde descargas parciales.

medición de descargas parciales representa unaalternativa de mayor sensibilidad para identificar estetipo de problemas; sobre todo si la medición se realizacuando el equipo se encuentra en operación.

El monitoreo en línea es un sistema que permitedetectar la posibilidad de una falla catastrófica enequipos de alta tensión y programar su retiro cuando seencuentran en malas condiciones. Para el monitoreo enlínea de boquillas es posible aprovechar el “tap”capacitivo para instalar un sensor en forma permanente,manteniendo su conexión a tierra. La filosofía delmonitoreo en línea de boquillas se basa principalmenteen detectar las variaciones de capacitancia, tangente depérdidas y medición de descargas parciales. Como semencionó en párrafos anteriores, la variación en lacapacitancia puede deberse a una falsa conexión del“tap” capacitivo que ha provocado descargas internas,poniendo en corto dos o más “foils” de aluminio. Elincremento en la tangente de pérdidas puede deberse a

Foto 2. Boquilla con falla en el aislamiento interno.

una deficiente impregnación del aceite en el papel,originado por una posible fuga de aceite comoconsecuencia de deterioro en los sellos. En ambos casosse originan descargas parciales que pueden provocargases y la consecuente falla catastrófica de la boquilla.

Descripción general del sistema de mediciónEl sistema de medición de corrientes capacitivas estáconstituido por los siguientes elementos y se ilustranesquemáticamente en la figura 1:• Un juego de tres sensores de corriente a través de loscuales se aterrizan los “taps” capacitivos, con lo cual setiene una conexión confiable y segura del sistemapropuesto (foto 3).• Un módulo de medición que realiza la suma vectorialde las corrientes, reduce los armónicos a través de filtros,realiza la conversión analógica-digital y controla lacomunicación con la computadora. Este módulo contieneun microcontrolador que realiza la conversión analógica-digital de la información y genera las alarmas cuando losniveles de corriente capacitiva o de ruido sobrepasan losniveles preestablecidos (foto 4).• Un enlace de comunicación por fibra óptica, el cualincrementa la confiabilidad en la transmisión de lainformación debido a su inmunidad a la interferenciaelectromagnética y además proporciona seguridad alequipo de cómputo de adquisición de datos.• Computadora para el control, la adquisición y elprocesamiento de la información.

Los datos que proporciona el sistema sedescriben a continuación:• La medición del desbalance en la corriente capacitivaen magnitud y fase, asociado con el incremento decapacitancia o con el incremento de las pérdidas enalguna boquilla. El sistema está calibrado para emplear100% de la escala, con una variación en capacitancia de10%. La relación señal a ruido de la suma vectorial delas corrientes capacitivas limita la sensibilidad delsistema. Se entienden por ruido principalmente lasvariaciones de voltaje de la línea, provocadas

Figura 1. Diagrama esquemático del sistema demedición de corrientes capacitivas.

ComputadoraMódulo demedición

Fibraóptica

Módulossensores

Boquillas

Fase A

Fase B

Fase C

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principalmente por las variaciones de carga o armónicosen el sistema.• La medición logarítmica de “ruido eléctrico” por faseen 2.5 MHz con un ancho de banda de 500 kHz.

Cuando los límites predeterminados decorriente capacitiva y “ruido” se sobrepasan, las alarmasque genera el sistema son las siguientes:• “Tap” capacitivo flotado. Esta alarma requiere de laatención inmediata del personal de mantenimiento, dadoque la boquilla en estas condiciones se degradará enforma irreversible y puede originarse una fallacatastrófica.• Nivel alto de desbalance de corrientes capacitivas.Esta alarma indica el deterioro del aislamiento interno oun posible cortocircuito entre los conductoresconcéntricos de la boquilla. La falla es crítica si el nivelde la corriente capacitiva sobrepasa los valoresestablecidos basados en la experiencia.• Nivel de “ruido eléctrico” elevado. Esta alarma estáasociada con descargas parciales internas de la boquilla.Los umbrales de alarma se establecerán de acuerdo conla experiencia.• Falla del módulo de medición o del enlace decomunicación con la computadora. Esta alarma indica undesperfecto en el sistema de medición que debe seratendido.

El sistema cuenta con un programa de cómputoque permite monitorear en línea las boquillas y guardaen una base de datos la información del comportamiento

de las corrientes capacitivas y del ruido (figura 2);también realiza un análisis estadístico de tendencias quepermitirá predecir el deterioro gradual de alguna de lasboquillas (figura 3).

En el IIE se realizaron pruebas al sistema, sesimuló con capacitores la capacitancia de las boquillaspara producir la corriente nominal de operación y seefectuaron pruebas de impulso a los circuitos sensores decorriente para garantizar su adecuada operación al sersometidos a descargas atmosféricas o a operaciones deapertura y cierre de interruptores o cuchillas en la línea.

En el Lapem se realizaron pruebas al sistemacon una tensión de 25 kV; en este experimento, lacapacitancia de las boquillas se simuló con capacitores.En una fábrica de transformadores se efectuaron pruebasa las boquillas de un transformador de 300 kV, utilizandoel sistema desarrollado.

Antes de instalar el sistema desarrollado en eltransformador de máquina de la central termoeléctrica deTula, se realizarán pruebas exhaustivas en boquillas en elLapem y en la subestación El Álamo de la CFE. Estaspruebas tienen como objetivo probar el sistema en elambiente de una subestación y también degradarartificialmente boquillas para que el sistema generealarmas cuando detecte condiciones de falla.

Principio básico de operaciónEl sistema de medición de corrientes capacitivas estábasado en la suma vectorial de las corrientes que fluyen através de las boquillas. Lo anterior se representa en formageneral con la siguiente expresión:

IC = I

A < α + I

B < β + I

C < γ [1]

Foto 3. Sensor que se instala en el tap capacitivo de lasboquillas de transformadores.

Foto 4. Vista interna del módulo de medición.

El sistema está calibrado para emplear 100%de la escala, con una variación en capacitanciade 10%.

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Figura 2. Pantalla que presenta el programa parael monitoreo en línea de boquillas.

Al considerar en esta expresión las tres corrientescon ángulos de fase espaciados 120º y suponiendo que setienen capacitancias iguales con voltajes de excitacióniguales en las tres fases, se tiene que la corriente capacitivaresultante es igual a cero y está dada por la expresión:

IC = I

A < 0o + I

B < 120ο + I

C < 240o = 0 [2]

La ecuación es válida solamente cuando seconsideran voltajes de excitación puramente senoidales. Enla realidad, los voltajes de excitación tienen altoscontenidos de armónicos impares, siendo el tercer armónicoel de mayor ocurrencia y magnitud. Por tanto, una de lasfunciones que realiza el sistema desarrollado es el filtradode señales de alta frecuencia.

Cuando una de las boquillas se ha degradado, loscambios en la corriente capacitiva pueden estar asociadoscon dos causas principales:• Aumento de la capacitancia provocado por el cortocircuitoentre las capas de conductores internos que gradúan elcampo eléctrico de la boquilla.• Aumento de las pérdidas ocasionadas por la degradacióndel aislamiento interno.

En ambos casos, la corriente resultante aumenta,aunque en el tiempo pueden oscilar los dos parámetros porvariaciones térmicas. En este caso, la ecuación 2 esdiferente de cero y se tiene que cuando la boquilla de la fase

A está degradada se cumple la siguiente expresión:

IC = (I

A + ∆ I

A) < ∆α + I

B < 120o + I

C < 240o ≠ 0 [3]

considerando como premisa que tanto la capacitancia de lasboquillas como las pérdidas o la tan δ siempre aumentan aldeteriorarse el aislamiento interno de la boquilla. Si en [3]se simplifican el segundo y tercer término se tiene:

IC = (I

A + ∆ I

A) < ∆α + I

M [4]

La ecuación 4 representa la corriente capacitivaasociada con una falla en la boquilla de la fase A y poseemagnitud y un cierto ángulo de fase.

En el proceso de calibración del sistema serealizan ajustes que permiten balancear las tres corrientes,de tal forma que el punto de operación de las boquillas seubica muy cercano al cero.

En la práctica se tiene un punto de operación delas tres boquillas que se representa en el diagrama polar dela figura 4. La dirección y sentido de variación indican eltipo de degradación y la fase de la boquilla que se estádegradando. También se muestran las zonas de alarmapara las tres fases. Cuando el punto de operación semueve dentro de la zona marcada con la letra A, lacorriente de la fase A se ha incrementado, y al entrar en

Figura 3. Análisis de tendencias de lascorrientes capacitivas.

El sistema cuenta con un programa de cómputoque permite realizar el monitoreo en línea delas boquillas y guarda en una base de datos lainformación del comportamiento de lascorrientes capacitivas y del ruido.

La información que proporciona el equipopermitirá conocer en forma precisa losmecanismos de deterioro en el sistema aislantede las boquillas. Con estos elementos se podránestablecer los límites críticos que activan lasalarmas.

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la zona A1a, el sistema envía una señal de alarma.Cuando el “tap capacitivo” queda flotado, la corriente enla boquilla de la fase A es cero y el sistema da la alarma,dado que el punto de operación se traslada a la zonamarcada con A2a. Cuando de manera simultánea más deuna boquilla presenta degradación en su aislamientointerno, es difícil asegurar, con los datos proporcionadospor el equipo, cuál es la boquilla dañada o establecer eltipo de falla.

ConclusionesEl sistema desarrollado promete ser una herramientamuy útil para monitorear en línea el estado de lasboquillas y asegurar la confiabilidad de operación de lostransformadores, lo que permitirá al ingeniero demantenimiento detectar oportunamente boquillas en malestado, evitando con ello fallas catastróficas y laposibilidad de accidentes en la planta.

La información que proporciona el equipopermitirá conocer en forma precisa los mecanismos dedeterioro en el sistema aislante de las boquillas. Con

estos elementos se podrán establecer los límites críticosque activan las alarmas.

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José Ramírez NiñoIngeniero mecánico electricista (1975) y maestro en ingeniería (1980)por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y doctor enciencias e ingeniería de materiales (1999) por la Universidad Autónomadel Estado de Morelos (UAEM). Ingresó al IIE en 1981 al Departamento deComunicaciones de la División de Sistemas de Potencia y actualmente esinvestigador de la Gerencia de Equipos Eléctricos. Pertenece al SistemaNacional de Investigadores y se especializa en la instrumentaciónelectrónica, el procesamiento digital de señales y los sensores ópticos. Esautor de diversos artículos publicados en revistas nacionales einternacionales en el área de su especialidad.jtrn@iie.org.mx

Oscar Escorsa MoralesIngeniero industrial en eléctrica (1984) del Instituto Tecnológico dePuebla. Ingresó al IIE en 1986. Ha sido jefe del Laboratorio deAislamientos Internos de Equipos de Alta Tensión y ha trabajado enproyectos de diagnóstico de equipo primario de subestaciones, así comoen el diseño y la fabricación de sistemas resonantes. Actualmente trabajaen el acondicionamiento de un laboratorio móvil para el diagnóstico degeneradores en sitio o dentro de la Gerencia de Equipos Eléctricos.oem@iie.org.mx

José Ernesto López AzamarIngeniero mecánico electricista (1973) por la Universidad Veracruzana ymaestro en alta tensión por la Facultad de Ingeniería de la Universidad deGuanajuato. Ingresó a la CFE en 1974 y actualmente es jefe de la Oficinade Sistemas Eléctricos del Laboratorio de Pruebas de Equipos yMateriales.

Figura 4. Diagrama polar de las regiones dealarma.