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Presidente: Enrique Ochoa Reza, Director General de la Comisión Federal de ElectricidadSecretario: Sergio Valdés Ramírez, Presidente de la Cámara Nacional de Manufacturas EléctricasProsecretario: Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización, Instituto de Investigaciones Eléctricas

Consejeros propietarios: • Francisco Leonardo Beltrán Rodríguez, Subsecretario de Planeación y Transición Energética, Secretaría de Energía • Luis Carlos Hernández Ayala, Director de Operación, Comisión Federal de Electricidad •  Guillermo Turrent Schnaas, Director de Modernización, Comisión Federal de Electricidad • José Luis Aburto Ávila, Subdirector de Programación, Comisión Federal de Electricidad • Noé Peña Silva, Subdirector de Transmisión, Comisión Federal de Electricidad • Alejandro Sibaja Ríos, Director General de Programación y Presupuesto “B” de la Secretaría de Hacienda y Crédito Público • José Narro Robles, Rector de la Universida Nacional Autónoma de México • Enrique Fernández Fassnacht, Director del Instituto Politécnico Nacional • Salvador Vega y León, Rector General de la Universidad Autónoma Metropolitana • Sergio Hernández Vázquez, Director Adjunto de Centros de Investigación, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Hugo Gómez Sierra, Director de División Cables, Condumex • Carlos Rafael Murrieta Cummings, Director Corporativo de Operaciones, Pemex

Comisarios públicos: • Mario Alberto Cervantes García, Delegado y Comisario Público Propietario del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública • Federico Millán del Portillo, Subdelegado y Comisario Público Suplente del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública

Invitados: • Odón de Buen Rodríguez, Director General de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Carlos Antonio Álvarez Balbas, Socio Director, Despacho Álvarez Balbas, S. C.

Boletín IIE es una publicación trimestral, de distribución gratuita y editada por el Departamento de Difusión del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Los artículos firmados son responsabilidad de sus autores. El material de este boletín solo puede reproducirse parcial o totalmente, con la autorización escrita del IIE. ISSN0185-0059. Certificado de licitud de título 01777. Franqueo pagado, publicación periódica, permiso número 002 0583, características 319 321412, autorizado por Sepomex.

El tiraje de esta publicación es de 1,600 ejemplares.

Impreso en los talleres de Dicograf S.A. de C.V., Av. Poder Legislativo 304, col. Prados de Cuernavaca, C.P. 62239 Cuernavaca, Morelos, México.

• José Luis Fernández Zayas, Director Ejecutivo • Ángel Fierros Palacios, Director de Energías Alternas •  Salvador González Castro, Director de Tecnologías Habilitadoras • Rolando Nieva Gómez, Director de Sistemas Eléctricos • José M. González Santaló, Director de Sistemas Mecánicos • Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización • Alfredo Gómez Luna Maya, Director de Administración y Finanzas • Gladys Dávila Núñez, Jefa del Departamento de Difusión • Federico Estrada Arias, Coordinador Editorial • Arturo Fragoso Malacara, diseño gráfico • Verónica García Rodríguez, diagramación, formación y cuidado de la edición • Wendy Lugo Sandoval, publicación electrónica • Sergio Ortega López, fotografía • Ana María Sámano Ramírez, distribución

Presidente: Carlos Ortiz Gómez, Director General de Investigación, Desarrollo Tecnológico y Formación de Recursos Humanos, Secretaría de Energía

Secretario técnico: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones Eléctricas

• Luis Carlos Hernández Ayala, Comisión Federal de Electricidad • Mario Alberto Cervantes García, Secretaría de la Función Pública • Federico Millán del Portillo, Secretaría de la Función Pública • Alejandro Sibaja Ríos, Secretaría de Hacienda y Crédito Público • José Narro Robles, Universidad Nacional Autónoma de México • Enrique Fernández Fassnacht, Instituto Politécnico Nacional • Salvador Vega y León, Universidad Autónoma Metropolitana •  Sergio Hernández Vázquez, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Odón de Buen Rodríguez, Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Salvador Portillo Arellano, Prolec GE Internacional S. de R.L. de C.V. • Francisco Javier Varela Solis, Comisión Federal de Electricidad

Junta Directiva

Comité Técnico Operativo

Comité Editorial

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Sumario

Sumario

90 Editorial

92 Divulgación Simulación con enfoque multifísico como apoyo a la competitividad del sector eléctrico. Aplicación a

equipos eléctricos de potencia / Multiphysics simulation approach to support the competitiveness of the electric-ity sector. Application to electric power equipment

Hermenegildo Octavio de la Torre Vega, Jacobo Saynes Bartolo y David Ponce Noyola

100 Tendencia tecnológica Nanotecnología aplicada al monitoreo en línea del aislamiento de equipo eléctrico de potencia / Applied

nanotechnology on electrical insulation assessment Leonardo Rejón García y Roberto Santana Martínez Betancourt

107 Artículo técnico Procedimientos de evaluación de la condición de transformadores de potencia y subestaciones aisladas en

gas / Condition assessment procedures for power transformers and gas insulated substations Carlos Gustavo Azcárraga Ramos, Roberto Liñán García, José Armando Nava Guzmán y José Tomás Ramírez Niño

114 Comunidad IIE • Director de la CFE de visita en el IIE / CFE´s Director visits IIE • IIE colabora con el nuevo CENACE / IIE working together with new CENACE • Innovar para transformar / Innovating to transform • Innovación y desarrollo sustentable en el Estado de Morelos / Innovation and Sustainable Development in Morelos

116 Breve técnica • Mantenimiento de activos basado en condición / Condition based maintenance for electrical equipment Leonardo Rejón García • Diagnóstico en sitio de subestaciones aisladas en gas y cables de energía de alta tensión / On-site diagnosis of gas insulated substations and power cables Carlos Gustavo Azcárraga Ramos • Eficiencia energética de motores y generadores eléctricos / Energy efficiency of electric motors and generators Francisco Antonio Carvajal Martínez

123 Artículo de investigación A comparison of the PDIV characteristics of ester and mineral oils / Comparación de la tensión de inicio de

descargas parciales en aceites minerales y ésteres Carlos Gustavo Azcárraga Ramos, Andrea Cavallini y Ugo Piovan

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Editorial

Editorial

Considerando que los equipos eléctricos primarios son una parte vital de la red inteligente global, así como de los sistemas de transmisión y distribución, la gestión de estos activos en términos de confiabilidad, disponibilidad y mante-nimiento resulta de gran importancia.

Para lograr lo anterior es necesario el desarrollo de nuevas técnicas y tecnolo-gías que permitan el monitoreo y diagnóstico de la condición de los activos en línea y de forma continua, esto con la finalidad de prever las salidas, incre-mentar la vida útil y la administración de sobrecarga de dichos activos que son costosas y resultan en la pérdida del servicio y de dispositivos.

El papel de la gestión inteligente de activos en el nuevo esquema de la reciente reforma energética aprobada y promulgada por el Presidente de México se hace vital para la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y Petróleos Mexicanos (PEMEX), debido a que pasan de ser empresas paraestatales a empresas pro-ductivas del estado, lo que implica una mejora sustancial en la forma de ser y de hacer las cosas.

En éste, el número tres del Boletín IIE se presenta el artículo de divulgación, el cual nos habla de la simulación con enfoque multifísico como apoyo a la competitividad del sector eléctrico y su aplica-ción a equipos eléctricos de potencia.

En la sección de tendencia tecnológica se descri-be la nanotecnología aplicada al monitoreo en lí-nea del aislamiento de equipo eléctrico de potencia, poniendo especial atención a los sensores basados en nanotubos de carbón, grafenos y algunos óxidos metálicos.

El artículo técnico muestra los procedimientos de evaluación de la condición de transformadores de potencia y subestaciones aisladas en gas.

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Editorial

Las breves técnicas nos hablan del mantenimien-to de activos basado en condición; del diagnóstico en sitio de subestaciones aisladas en gas y cables de energía de alta tensión, así como de la eficiencia energética de motores y generadores eléctricos.

El artículo de investigación plantea una compara-ción de las tensiones de inicio de descargas parcia-les (PDIV) en esteres naturales y en aceite mineral, confirmando desde este punto de vista la factibili-dad del empleo de los esteres como sustitutos del aceite mineral en transformadores de alta tensión.

Sin duda alguna la innovación tecnológica y ad-ministrativa que la reforma energética implica y demanda, marca la pauta para que tanto la CFE como PEMEX sean verdaderamente productivas y competitivas, contando para ello con el apoyo de centros e institutos de investigación y desarrollo tecnológico como lo es el Instituto de Investigacio-nes Eléctricas, que con sus más de 500 investigado-res habrá de proveerles las tecnologías y herramien-tas necesarias para lograr su cometido, así como a la industria eléctrica y energética en general.

Estos centros e institutos de investigación deberán, además, considerar la posibilidad de ser el soporte tecnológico de otras empresas generadoras de ener-gía, pertenecientes a la iniciativa privada, nacio-nales e internacionales, para que todos los actores energéticos en México trabajen en sintonía, de tal forma que juntos impulsen el desarrollo económico de nuestro país.

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Divulgación

Simulación con enfoque multifísico como apoyo a la competitividad del sector eléctrico. Aplicación a equipos eléctricos de potencia

Introducción

Actualmente, la simulación en la ingeniería es una de las herramientas más imprescindibles y potentes que los ingenieros pueden usar a la hora de dise-ñar y crear nuevos productos, los cuales deben en-marcarse dentro de las tecnologías verdes. Por esta razón se están incorporando en sus productos y procesos la eficiencia energética, el ahorro de ma-teriales y los bajos costos.

Durante el desarrollo de un nuevo producto, las empresas enfrentan presiones complejas y en oca-siones contradictorias, como nunca lo habían ex-perimentado. Los grupos de innovación y desa-rrollo tienen el deber de crear el próximo diseño “óptimo e imprescindible”, el cual debe tener una amplia ventaja competitiva en el mercado, necesita ser asequible a un precio que suponga un beneficio para quienes resulten los consumidores, y además debe funcionar tal y como se espera, sin margen de error. Además, los ciclos de vida de los produc-

H. Octavio de la Torre Vega, Jacobo Saynes Bartolo y David Ponce Noyola

Abstract

Nowadays, numerical simulation is one of the most essential and powerful tools that engineers can use during the design and development of new products. Multiphysics tools allow manufacturers to reduce costs, decreasing design and manufacturing times, material wasting and try and error operations, improving in this way the reliability and performance of their products. An additional advantage is the possibility of simulate complex scenarios and operating conditions that cannot be evaluated in the lab.

The IIE supports the national electrical industry in the analysis and optimization of the performance of their products. Simulation has been applied up to now to transformers, reactors and generators, but its application is not limited to this equipment. This paper aims to give an overview of the potential uses of multiphysics tools to complete the design and manufacturing processes and to improve failure analysis.

La combinación de los efectos térmicos, electro-magnéticos y estructura-les se hacen fundamenta-les para la ingeniería de un transformador eléctrico.

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Divulgación

tos se acortan, la competencia a nivel mundial va en constante aumento y las expectativas del cliente son más rigurosas que en tiempos pasados.

Los productos evolucionan, se hacen más comple-jos y sofisticados en su funcionamiento, y con ello los desafíos de la ingeniería se hacen más difíciles de resolver. Los métodos y herramientas que se utilizaban anteriormente para desarrollar, probar y poner en marcha los productos ya han quedado obsoletas y la mayoría no se podría aplicar ahora con confiabilidad. Por ejemplo, los dispositivos electrónicos actuales como los celulares y las com-putadoras tienen el potencial de interactuar con otros dispositivos en formas que nunca habrían imaginado sus creadores. Los materiales compues-tos, cuyas características principales son su bajo peso y gran resistencia, plantean retos únicos de-bido a los diferentes materiales que los componen y a qué se dediquen; los sistemas de los productos inteligentes tienen incorporadas millones de líneas de código de objetivos críticos que garantizan la seguridad y rendimiento del sistema tal y como se espera.

Diseñar los productos de la misma forma que se ha hecho en los últimos 20 años ya no es, simple-mente, una opción en el altamente competitivo mercado actual. La simulación ha revolucionado el proceso de desarrollo de productos en las últimas décadas, porque ha reducido al mínimo las prue-bas físicas que son muy costosas y han acelerado el tiempo en que un producto se puede comercializar (Ansys, 2014). Pero para muchas empresas, esta si-mulación se ha centrado principalmente en com-ponentes y subsistemas, sin embargo, los avances de la tecnología de software de simulación multi-física en ingeniería ofrecen hoy en día un método a nivel global de todo el sistema para el diseño y desarrollo de la ingeniería de productos.

Acoplamiento multifísico

Atendiendo a la complejidad de los productos ac-tuales se requiere simular las condiciones bajo las cuales será sometido el nuevo diseño, esto implica que los ingenieros tienen que considerar el impac-to de la mayor cantidad de factores físicos que ocu-rren simultáneamente dentro del sistema bajo aná-lisis, como la dinámica estructural, transferencia de calor, el flujo de fluidos, el comportamiento no

lineal de los materiales, el fenómeno electromagnético, el transporte de espe-cies químicas, los problemas acústicos y ópticos, la radiofrecuencia, etc., por-que en general, los efectos de uno de los factores físicos tiene consecuencias en el comportamiento del producto en otras condiciones físicas del diseño.

Por ejemplo, la combinación de los efectos térmicos, electromagnéticos y estructurales se hacen fundamentales para la ingeniería de un transforma-dor eléctrico. Por ello se torna necesario utilizar enfoques multifísicos para el análisis simultáneo de fenómenos descritos mediante diferentes ecuaciones constitutivas resueltas por métodos numéricos como volumen finito, diferen-cias finitas y elementos finitos. Simulación acoplada fluido-estructural, flui-do-térmica, termo-estructural, termo-electromagnética o cualquier combina-ción de ellas mediante la utilización combinada (co-simulación) de distintas herramientas computacionales (Ansys Workbench,Comsol, Abaqus, Matlab, Isight,etc.). Ejemplos de ecuaciones básicas son:

Campo magnético:

jws(T )A + V x ( V x A) = 01m

Donde la conductividad (s) es dependiente de la temperatura (T),

Transferencia de calor:

(rCpu • VT) – V • (kVT ) = Q(T, A)

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Divulgación

Donde la fuente de calor (Q) depende de las pérdidas originadas por los cam-pos electro-magnéticos,

Transporte de masa y momentum:

V • [–p(T )I + h(T )(Vu + (Vu + (Vu)T )] + Fst + r(T )g = r(T ) + r(T )(u • V )ududt

Figura 2. (a) Concentración de la tensión inicial ante impulso de rayo, en los dos últimos discos del lado de alta tensión, (b) Reforzamiento del aislamiento en las áreas de mayor concentración de campo eléctrico.

Figura 1. Campo magnético en un transformador.

Figura 3. Tipos de deformaciones en devanados de un transformador.

V • u = 0

Donde: la densidad (r), la viscosidad (h) y presión (r) dependen de la temperatura, mientras que la velocidad (u) con que se mueve el fluido modifica la temperatura.

Existe un mayor número de conceptos plasmados en estas ecuaciones, pero aquí sólo se quiere mos-trar la interdependencia entre los diferentes fenó-menos físicos.

Desarrollos en el IIE

El IIE ha desarrollado metodologías basadas en software para el análisis de este tipo de fenómenos, orientados principalmente a optimización de equi-pos y materiales, y al desarrollo de nuevos produc-tos de prueba orientados al diagnóstico de equipos eléctricos.

Modelado magnético

Como un caso en particular se han utilizado este tipo de herramientas de simulación multifísica en el diseño y evaluación de reactores, transformado-res eléctricos y rotores de turbogeneradores (De la Torre y Ramírez, 2011; Johnson, 2014). El diseña-dor, con apoyo de estas herramientas, debe buscar alguna combinación de dimensiones y materiales (conductores) para cumplir con los requisitos del cliente al menor costo posible. El resultado de este estudio es: Dimensiones del núcleo y devanados; densidad de flujo magnético; inductancia; pérdidas en núcleo, devanados, tanque y herrajes, además impedancia de corto circuito y fuerzas electromag-néticas como fuentes para el estudio mecánico de esfuerzos en los diferentes componentes del trans-formador, en condiciones de operación normal y transitoria.

En este tipo de dispositivos se generan pérdidas en forma de calor por circulación de corriente en los devanados, lo cual ocasiona el calentamien-to en el interior del equipo, que en la mayoría de las ocasiones está sumergido en aceite, haciéndose necesario abordar este problema desde un enfoque multidisciplinario.

a)

b)

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Divulgación

Modelado eléctrico

Por otra parte, en todo diseño siempre se tiene la incertidumbre de si los materiales y su ubicación son los adecuados para soportar los esfuerzos eléc-tricos que se presentan en el interior del equipo en operación.

Para garantizar su comportamiento se deben rea-lizar modelados del campo eléctrico, con el objeto de analizar las componentes normal y tangencial del campo eléctrico en los materiales aislantes, ve-rificando que no supere su rigidez dieléctrica en:

• operación nominal• sobre tensión de prueba• impulsos de rayo y maniobra

Modelado mecánico

Como se mencionó anteriormente, también de la solución del modelado electromagnético se obtie-nen las fuerzas de Lorenz necesarias para evaluar el impacto que tienen éstas durante un corto circuito en la integridad mecánica del equipo.

Estas fuerzas generan esfuerzos mecánicos de tal magnitud, que pueden provocar la falla de los transformadores. Siendo los esfuerzos y deforma-ciones axiales y radiales en los devanados, los más característicos (Bertagnolli, 2006).

Modelado fluido-térmico

Las pérdidas en el equipo obtenidas con el mo-delo magnético se acoplan al modelo de transfe-rencia de calor y este modelo se acopla al mode-lo de flujo de fluidos utilizando la aproximación de Boussinesq, ya que al interior del equipo, por efectos del calentamiento, se genera una corriente convectiva en el fluido que propicia la extracción de calor del interior del equipo (fuentes de calor) hacia el exterior, cumpliéndose las leyes de conser-vación y equilibrio.

Se debe tener especial cuidado al definir las condi-ciones de frontera, ya que gran parte de la validez de los resultados dependen de ellas.

Figura 4. Esfuerzos magnéticos en los devanados de un transformador.

Figura 5. Iso-superficies de temperatura en un tanque con tres reactores.

Figura 6. Comportamiento de las líneas de corriente del fluido a una hora de operación del reactor.

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Asimismo se debe de tratar la malla discreta con mucho cuidado, ya que en los modelos termo-hi-drodinámicos, conceptos como capa límite toman especial importancia al ejecutar la solución del problema, haciéndose necesario para ello un análi-sis de independencia de malla.

Modelado hidrodinámico-estructural

Se ha trabajado con el modelo de turbulencia a dos fluidos, logrando simular la explosión de equipos por falla de arco, en la cual, el incremento de ener-gía en un periodo de tiempo muy corto (milésimas de segundo) hace que se evapore parte del aceite y se formen burbujas de gas a gran presión que por inercia, tratando de mantener su equilibrio, genera ondas de choque de presión dinámica que se ex-pande por todo el tanque.

La onda de presión dinámica se expande hacia las paredes del tanque, ejerciendo picos de presión so-bre ella y provocando la deformación, y en casos graves, la ruptura del mismo.

Figura 7. Componentes para el modelo del tanque.

Figura 9. Modos de deformación de un ensamble de tres reactores en torre.

Figura 8. Mapas de presión en dos instantes diferentes (4ms y 10ms).

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Acoplando el modelo hidrodinámico de fluidos a dos fases y el modelo dinámico estructural, se logra evaluar el impacto que tienen las ondas de sobrepresión en la integridad mecánica del tanque y ayudan a implementar mecanismos de sobrepre-sión que sean capaces de reaccionar a tan agresivo cambio de presión en lapsos de tiempo muy pe-queños, evitando con esto pérdidas irreversibles y de alto costo.

Modelado mecánico-estructural

Aplicando el método de Elemento Finito, el IIE ha determinado el comportamiento de la estructura de equipos eléctricos bajo diferentes condiciones de solicitaciones de carga dinámica, específicamen-te sismos y transporte, evitando con esto probables fallas estructurales que pudieran aparecer debido al mal diseño mecánico. Estos análisis se han hecho considerando al material isotrópico, continuo, ho-mogéneo y en un rango lineal elástico.

Asimismo, los niveles de vibración provocados durante el transporte de cualquier equipo son complejos y juegan un papel preponderante en el daño que pueden sufrir durante su transporta-ción, por consiguiente es necesario hacer uso de las herramientas actuales para diseñar y optimizar el embalaje.

Debido a que los niveles severos de esfuerzos me-cánicos, sobre todo los generados tanto por el transporte en vehículos como por sismos, son impredecibles y ocurren aleatoriamente, se deben considerar como riesgos y se debe evaluar el nivel de impacto que tienen en la integridad del equipo.

Conclusiones

En las primeras fases de desarrollo, las herramien-tas de simulación multifísicas pueden ayudar a las empresas de ingeniería a predecir el compor-tamiento de todo el sistema en condiciones reales de operación, trabajar en mejoras de componentes individuales o subsistemas, así como de las interac-ciones entre los mismos, especialmente en ámbitos en los que confluyan múltiples físicas. Con esto, la optimización y mejora de los productos se acele-

Figura 11. Deformación por efectos de sismo.

Figura 10. Modelo de elemento finito, esfuerzos mecánicos por transporte y optimización del embalaje.

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ra de manera constante y económica, por ser tratado todo desde un entorno virtual.

La simulación ya no solamente se utiliza en la etapa en la que los diseños necesitaban validarse, ahora las empresas utilizan este tipo de herramienta en etapas más tempranas del diseño, asegurando con ello que los prototipos crea-dos se comporten como se espera.

Estas herramientas multifísicas permiten a los fabricantes reducir costos y tiempos en la ingeniería del producto, así como también mejorar la confiabi-lidad y rendimiento de los mismos, gracias a que ahora es posible evaluar dis-tintas alternativas de diseños, materiales y múltiples condiciones de operación aún antes de ser fabricados.

La simulación multifísica de fenómenos físicos de todo tipo se encuentra ac-tualmente en una etapa de expansión, gracias al incremento en potencia com-putacional de la informática y al desarrollo de software más eficiente y fácil de usar.

Referencias

Realize Your Product Promise Systems and Multiphysics Analysis. MKT 113, 2012 ANSYS, Inc. All Rights Reserved. http:// www.ansys.com

De la Torre V. y Ramírez-Niño. Modelo en Elemento Finito del Sensor para la Detección de Corto-Circuitos en Devanados del Ro-tor de Turbogeneradores. ALTAE’11, Cuba, septiembre 2011.

Johnson. Simulation enables the next generation of power trans-formers and shunts reactors. IEEE Spectrum Multiphysics sim-ulation sponsored by COMSOL, may 2014, http://comsol.com/c/165p

Bertagnolli, G. The ABB approach to Short-circuit duty of power transformers. ABB, Tercera edición 2006.

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DAVID PONCE NOYOLA [[email protected]]

Doctor en Ingeniería y Ciencias Aplicadas por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Ingeniero Mecánico por el Instituto Politécnico Nacional. Ingresó al Instituto de In-vestigaciones Eléctricas (IIE) en 1984, a la División de Sistemas Eléctricos. Su área de especialidad se relaciona con el diseño mecánico, así como con la supervisión de la fabricación de aislamiento eléctrico para alta tensión, herramental para manufactura del aislamiento y diversos equipos eléc-tricos. Entre 2000 y 2002 participó en el sector privado como gerente de ingeniería, desarrollan-do apartarrayos para protección de líneas de 13.8 hasta 115 kV. Se reincorporó a la Gerencia de Equipos Eléctricos del IIE en marzo de 2009, donde participó en el desarrollo del modelo para la estimación de humedad en los devanados de los transformadores de potencia, así como el de-sarrollo del equipo para monitoreo en línea de la humedad en los transformadores. Es autor de varios artículos nacionales e internacionales, así como de patentes otorgadas y en trámite. Se ha desempeñado como docente, impartiendo varias cátedras en la carrera de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos.

JACOBO SAYNES BARTOLO[[email protected]]

Maestro en Ciencias de la Ingeniería Mecánica por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENI-DET) con especialidad en Sistemas Térmicos. Ingeniero Me-cánico por el Instituto Tecnológico del Istmo con especialidad en Instalación y Mantenimiento de Aerogeneradores. Ingre-só al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 2013 a la Gerencia de Equipos Eléctricos, perteneciente a la División de Sistemas Eléctricos. Las principales actividades que desarrolla es-tán orientadas a la simulación avanzada de dinámica de fluidos computacional, transferencia de calor, análisis símicos, análisis de embalaje y de transporte de equipo eléctrico utilizando mé-todos numéricos (volumen finito, diferencias finitas y elemento finito), todas estas actividades con el objetivo de evaluar y op-timizar equipo eléctrico en general (transformadores, reactores, generadores, etc.).

HERMENEGILDO OCTAVIO DE LA TORRE VEGA [[email protected]]

Maestro en Ingeniería por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM). Ingeniero Industrial Electricista por el Instituto Tecnológico de Morelia. Ingresó al Ins-tituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1981 a la División de Sistemas Eléctricos, donde ha desarrollado diversas aplicaciones de software para apoyo al diagnóstico de equipo eléctrico. Ac-tualmente es investigador de la Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE), donde participa como jefe de proyectos relacionados con el análisis y optimización del diseño de equipo eléctrico, así como en el desarrollo de sistemas de monitoreo y diagnóstico en línea de generadores de potencia. Es coordinador del grupo de análisis multifísica de la GEE. Ha publicado gran número de artículos en el área de simulación de campos electromagnéticos con elemento finito y sobre sistemas para diagnóstico en línea de equipo de potencia.

De izquierda a derecha: H. Octavio de la Torre Vega y David Ponce Noyola.

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014Tendencia tecnológica

Introducción

El desarrollo de sensores de gases o químicos son de mucho interés por su amplia aplicación en la in-dustria, en el monitoreo de la calidad y el control de emisiones al ambiente, en la biomedicina, en la industria automotriz y la eléctrica, entre otros.

Uno de los principales requerimientos para los sen-sores de gases es que éstos sean de rápida respuesta, alta sensibilidad y selectivos, en otras palabras, que puedan realizar mediciones en tiempo real y con-tinua, tiempos de respuesta y recuperación rápidos (del orden de segundos), medición de concentra-ción de gases tan bajas como 1 ppm (partes por mi-llón) y que puedan ser desarrollados para un gas en específico.

La gran diversidad de métodos para el monitoreo de gases está basada en efectos químicos y físicos que puedan ser medidos y reflejen las características del gas. Comúnmente, los materiales para el moni-

Nanotecnología aplicada al monitoreo en línea del aislamiento de equipo eléctrico de potencia

Leonardo Rejón García y Roberto Santana Martínez Betancourt

Abstract

In the last decade, the nanotechnology has called the attention of the scientist and industrial community considering the possibility to reduce the size of many electrical and electronic devices. Special attention is having put in the sensors development for monitoring of different gases. The development of sensors based in carbon nanotube and Graphene become important for the electrical sector. The main subject is moni-toring of the gases produced by the degradation or ageing of the insulation systems as mineral oil, cellulose and sulfur hexafluoride, used in transformers, circuit breaker and gas insulation substation (GIS). The information obtained from the sensors is very important for the condi-tion and faults diagnosis of the electrical equipment, optimizing the maintenance activities and improving the reliability and availability of them. All the before mentioned, open the opportunity to the new gases sensing technology being very important for the new paradigms related with the smart grids.

La gran diversidad de mé-todos para el monitoreo de gases está basada en efectos químicos y físicos que puedan ser medidos y reflejen las características del gas.

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Tendencia tecnológica

toreo de gases incluyen a los polímeros sensibles a vapores, óxidos de metal semiconductores y otros materiales porosos estructurados.

Recientes desarrollos basados en nanotecnología han creado un gran potencial para la construcción de sensores con alta sensibilidad, bajo costo, portá-tiles y con bajo consumo de energía. La gran área superficial y estructura hueca de nanomateriales son propiedades ideales para la absorción y alma-cenamiento de moléculas de gas. Por lo anterior, los sensores de gas basados en nanomateriales tales como nanotubos de carbono, grafenos, nanocables, nanofibras, entre otros, están siendo estudiados con atención.

En este documento pondremos especial atención a los sensores basados en nanotubos de carbón, grafe-nos y algunos óxidos metálicos, los cuales han mos-trado tener un potencial elevado para ser aplicados en la detección de gases generados por la degrada-ción del aislamiento en equipos eléctricos.

Sensores de gases basados en nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono fueron descubiertos por primera vez por Iijima en 1991 y han sido de gran interés para la comunidad científica debido a su particular geometría y morfología, así como a sus propiedades electrónicas, mecánicas, térmicas y óp-ticas. Generalmente, los nanotubos de carbono son de dos tipos: nanotubos de pared simple (figura 1) y múltiple (figura 2).

El nanotubo de pared simple puede considerarse como una capa de grafito enrollada, similar a un cilindro, con un diámetro de varios nanómetros y una longitud del orden de 1-100 micras. Los nano-tubos de pared múltiple consisten de varias capas de grafito envueltos para formar un tubo que com-parte el mismo eje central.

Los nanotubos de carbono pueden obtenerse prin-cipalmente a través de tres técnicas: descarga por arco, ablación láser y deposición de vapor químico.

Los sensores de gases de nanotubos de carbono se pueden clasificar en dos tipos: químicos y físicos.

Los sensores químicos dependen de los cambios en su conductividad y per-mitividad, debido a la absorción de gases. Son de tamaño muy pequeño, alta sensibilidad y bajo costo de manufactura, y una buena respuesta eléctrica aun a temperatura ambiente.

Los sensores físicos utilizan la técnica de ionización de gas basado en la apli-cación de un voltaje alto. Tienen una estructura estable bajo campos eléctricos intensos y considerado uno de los mejores emisores de campo entre los metales emisores convencionales.

Los sensores basados en nanotubos de pared simple han mostrado tiempo de respuesta menor a los sensores de estado sólido. Son de tamaños pequeños y con una alta sensibilidad a temperatura ambiente. Es importante mencionar

Figura 1. Nanotubo de pared simple.

Figura 2. Nanotubo de pared múltiple.

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que dependiendo de las propiedades del compuesto activo, este tipo de sen-sores han mostrado no ser afectados por condiciones ambientales (humedad, temperatura, entre otros) y se han usado para la detección de compuestos or-gánicos volátiles (formaldehído, clorobenceno, disolventes como tolueno, xi-leno, acetona, etc.). Otros gases detectados por este tipo de sensores incluye al metanol, etanol, 1-propanol y 2-propanol, amonio (NH3), dióxido de carbono (CO2), y óxido de nitrógeno (NOx).

Figura 3. Estructura del grafeno.

Figura 4. Componentes de un sensor de gas fabricado por el método de vaciado.

Sensores de gases basados en grafenos

El grafeno es un alótropo bidimensional del carbo-no (figura 3), y puede considerase como una capa delgada del átomo de grafito, con un área por uni-dad de masa del orden de 2,600 m2/g, siendo ésta mayor que la del nanotubo de carbón (1.315 m2/g), lo cual le da una mayor capacidad de interacción con otros materiales.

El grafeno puede obtenerse a través de varias técni-cas: exfoliación mecánica, exfoliación química, de-posición de vapor químico, descomposición de car-buros y fragmentación de nanotubos.

Como en el caso de los sensores de nanotubos es-tos sensores son de tipo resistivo, es decir, presen-tan cambios en resistividad cuando se someten a la presencia de un determinado gas. Hay algunos re-portes de respuestas de sensores de grafeno y grafe-no funcionalizado que muestran capacidad para de-tección de gases como hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), dióx-ido de azufre (SO2), y dióxido de nitrógeno (NO2). Los límites de detección de estos sensores para los gases antes mencionados van desde 2.5 a 60 ppm.

Fabricación de sensores con nanotubos y grafenos

Los sensores de gases basados en nanotubos y/o grafenos pueden construirse por varios métodos: por vaciado del nanocompuesto (material activo) sobre un circuito interdigitado diseñado para este fin. Otro método simple es el de serigrafía del na-nocompuesto sobre los electrodos estampados. Un método más complejo es el de dielectroforesis, en donde las nanopartículas son polarizadas por un campo eléctrico no uniforme, para de esta forma controlar la separación, orientación y posición de las nanopartículas. Se ha demostrado que este mé-todo puede establecer una buena conexión eléctrica entre los nanotubos y los electrodos.

Las figuras 4 y 5 muestran esquemáticamente la configuración de un sensor de gases típico, en don-de se empleó el proceso de vaciado del nanocom-puesto. Dicho sensor está conformado por un ma-

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terial de soporte (resina con refuerzo) para la im-presión de los electrodos (cobre, estaño, oro, etc.) y finalmente una capa de un material compuesto (parte activa), normalmente un polímero como medio y la nanopartícula, que puede ser nanotu-bo de carbón, grafeno u otro nanomaterial (óxidos metálicos). En los casos en donde se requiera incre-mentar la sensibilidad del sensor con la aplicación de calor, se introduce una resistencia entre el mate-rial de soporte y los electrodos.

Aplicación de la nanotecnología en equipos eléctricos

Los materiales empleados (aceite, celulosa, SF6) como aislamiento principal en equipos eléctricos están sometidos a esfuerzos eléctricos, mecánicos y térmicos durante la operación de dichos equipos, ocasionando un proceso de degradación, el cual afecta la confiabilidad, disponibilidad y seguridad de los mismos. Por ello resulta de gran importan-cia el poder monitorear el proceso de degradación, de tal forma que permita tomar acciones oportunas para evitar la salida de operación de los activos y/o la falla catastrófica de los mismos.

Los principales subproductos gaseosos que se forman por la degradación de los aislamientos son: hidrógeno (H2), metano (CH4), etano (C2H6), etileno (C2H4), acetileno (C2H2), monóxido de carbono (CO), y dióxido de carbo-no (CO2) en el aceite mineral y celulosa. Para el caso del gas hexafluoruro de azufre (SF6), los principales subproductos generados y de mayor impacto so-bre la calidad del aislamiento son: ácido fluorhídrico (HF), sulfuro de tionilo (SOF2), sulfuro de sulfurilo (SO2F2) y dióxido de azufre (SO2). La presencia de los gases antes mencionados es un indicativo de la degradación de los ais-lamientos ocasionada por anormalidades en el funcionamiento de los activos.

Las ventajas de estos sensores comparados con técnicas tradicionales (cromato-grafía de gases, espectroscopia fotoacústica e infrarroja, electroquímica, entre otras), y disponibles en el mercado son:

• Posibilidad de monitoreo en línea y de forma continua• Selectividad y sensibilidad a un gas en particular• Menor tamaño• Tiempo de respuesta rápido• Bajo costo

Actualmente, países como Japón, Corea, China y Estados Unidos hacen gran-des esfuerzos para el desarrollo de sensores basados en nanotubos de carbono y grafenos, inclusive utilizando otras nanopartículas. A la fecha se ha reportado una gran cantidad de artículos y algunas patentes en los países antes mencio-nados, sin embargo, al día de hoy no hay un dispositivo disponible de tipo comercial, capaz de monitorear gases producto de la descomposición de los aislamientos en equipos eléctricos en línea y de forma continua, utilizando la nanotecnología.

Actualmente existen técnicas analíticas para la detección de este tipo de sub-productos, donde es necesario extraer una muestra de gas de los comparti-mientos de interrupción (caso interruptores) y llevarla al laboratorio para su análisis. Las técnicas de laboratorio como el de espectroscopia de infrarrojo y la cromatografía de gases dan información sobre el tipo de subproductos genera-dos por la descomposición del SF6, pero no son recomendables para su aplica-ción en serie debido a su alto costo.

Figura 5. Diagrama esquemático del arreglo para medición de la conductan-cia de un sensor de gas.

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Existen equipos portátiles que pudieran ser conectados en serie en los equipos de interrupción, pero éstos solo son capaces de detectar subproductos como el HF y el SO2, y aunque también pueden detectar la pureza del gas y el conteni-do de humedad, no son capaces de detectar los subproductos como el SOF2, el SO2F2 y el SF4, los cuales se generan en forma temprana o incipiente.

A partir del siglo XXI, en la Universidad de Kyushu en Japón, iniciaron una serie de trabajos de investigación encaminados al desarrollo de sensores a base de nanotubos de carbono, para su aplicación como detectores de subproductos de la descomposición del gas SF6, cuando éste es sometido a fenómenos eléc-tricos como descargas parciales. En uno de los trabajos reportado por investi-gadores de dicha Universidad, se describe el desarrollo y funcionalidad de un sensor a base de nanotubos de carbono del tipo multicapa (Multiwall Carbon Nanotubes o MWCNT). Para la fabricación del sensor emplearon la técnica de fotolitografía. El gas SF6 se sometió a descargas parciales y midieron el cambio en la conductancia del sensor, la cual se atribuyó a la interacción electrónica entre el sensor y los productos de la descomposición del SF6, siendo éstos prin-cipalmente SO2 y HF. Es importante mencionar que el sensor se saturó cuan-do la concentración de los gases fue del orden de 6 ppm. También realizaron experimentos con sensores fabricados con nanotubos de pared simple (Single Wall Carbon Nanotubes o SWCNT). Encontraron que moléculas de gas de SF4 (tetrafluoruro de azufre) y SOF2 fueron absorbidas por el sensor, conteniendo nanopartículas de SWCNT expuestas a descargas parciales. También se encon-tró que dicho sensor fue sensible a moléculas de HF, sin embargo, la mayor respuesta fue hacia el SF4 que para el HF.

Otros trabajos en esta dirección y de gran relevancia son los reportados por la escuela de ingeniería mecánica de la Universidad de Sungkyunkwan, Suwon, en Corea, quienes proponen el uso de sensores miniatura de SWCNT fabri-cados por electroforesis, los cuales son capaces de detectar especies disociadas y oxidadas, derivadas de la descomposición parcial del SF6 generadas por des-

cargas parciales. Lo anterior con base al cambio en conductancia observado por el sensor, cuando el SF6 se sometió a descargas parciales. El sensor no reaccionó con el SF6 puro, pero es sensible a las es-pecies disociadas y oxidadas del SF6. El sensor pue-de ser regenerado mediante el burbujeo con aire freso.

La Universidad de Chongqing, del Distrito de Shapingba, China, reportó un método para detec-tar componentes derivados de la descomposición del SF6 debido a descargas parciales, utilizando un sensor para gas tipo película, utilizando MWCNT. En este caso realizaron una modificación química a los nanotubos de carbono, previo a la experimen-tación, para detectar descargas parciales en el SF6 mediante el uso de MWNT. El sensor fue capaz de detectar subproductos de SF6 como el SO2F2, SOF2, SO2 y HF, todos en forma conjunta, aunque no les fue posible cuantificar la concentración de cada uno.

Para el caso de monitoreo de gases disueltos en aceite mineral empleado como aislamiento en transformadores de potencia, de corriente, en-tre otros, los trabajos reportados son muy pocos y principalmente de instituciones de investigación de China, en particular del Instituto de Investiga-ciones de Energía Eléctrica. Reportan que sensores basados en nanopartículas de SnO2 (dióxido de es-taño) mostraron buena respuesta a la presencia de gases como CH4, C2H6, C2H4, y C2H2. Otros sen-sores evaluados por esta misma institución son los basados en nanotubos de carbono dopados con Ni (Nikel), y MWCNT con tratamiento ácido.

Propuestas adicionales de diversas Instituciones plantean el uso de nanopartículas de óxido de zinc (ZnO), nanotubos dopados con paladio y grupos hidroxilos (OH).

Es importante señalar que en todos los trabajados publicados, los resultados se obtuvieron utilizando gases en su forma original, es decir, no disueltos en aceite en donde esto resulta muy complejo, y éste es un gran reto para llevar la tecnología a la práctica.

Conclusiones

Tomando en cuenta el tipo de gases presentes en los procesos de degradación de los aislamientos princi-

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pales de equipos eléctricos, los sensores basados en nanotubos de carbono y grafenos representan una opción interesante para la fabricación de sensores con aplicación en la detección en línea y de forma continua de gases derivados de la descomposición parcial del SF6, cuando éste se somete a esfuerzos eléctricos como arqueo y descargas parciales en in-terruptores de potencia y en subestaciones encapsu-ladas en SF6 (GIS), así como para el monitoreo de gases disueltos en el aceite, originados por calenta-miento, descargas y arco eléctrico presentes en los trasformadores de potencia, y en donde se requiera disminuir costos, aumentar sensibilidad, tiempos de respuesta y reducción de tamaño.

En el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) hemos incursionado en este área de investigación aplicada, a través del desarrollo de sistemas de monitoreo de gases y algunas propiedades mecá-nicas de los activos, empleando sensores basados en nanotubos de carbono y grafenos, esto con la finalidad de contribuir al fortalecimiento de la ca-pacidad de monitoreo y diagnóstico en línea y de forma continua, así como en la administración del mantenimiento de activos, todo alineado en el con-texto del marco estratégico del sector energético del país, para la implantación de una red eléctrica inte-ligente, así como la implantación de la gestión del Mantenimiento Centrado en la Condición de los Activos.

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014Tendencia tecnológica

LEONARDO REJÓN GARCÍA[[email protected]]

Doctor en Ciencias Químicas por la Universidad Nacional Au-tónoma de México (UNAM) en 1998. Maestro en Ingeniería Química por al Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) en 1990. Ingeniero Químico por la Universidad Veracruzana en 1986. Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1989 como investigador en el Departamento de Materiales. En septiembre de 2001 fue nombrado Gerente de la Gerencia de Materiales y Procesos Químicos, cargo que desempeñó hasta julio de 2010. En ese mismo año inició su colaboración en la Gerencia de Equipos Eléctricos, donde ha contribuido a través de la dirección y participación en proyectos relacionados con el desarrollo de metodologías para la gestión del mantenimiento de activos basado en condición, impulsando esta línea hacia el área de máquinas rotatorias. Asimismo ha tomado el liderazgo en la formación de un grupo de investigación aplicada en el de-sarrollo de sistemas de monitoreo de la calidad del aislamiento de equipo eléctrico primario, utilizando la nanotecnología. Ha publicado más de veinte artículos en revistas arbitradas y ha ge-nerado propiedad intelectual a través del otorgamiento de pa-tentes, secretos industriales y derechos de autor relacionados con el desarrollo de materiales aislantes y semiconductores basados en polímeros y nanacompuestos, reología y relajación dieléctrica de dispersiones y emulsiones. Es miembro del comité de evalua-ción de proyectos del CONACYT y del comité de revisión por pares de las revistas Polymer Engineering Science, Journal Applied Polymer Science, Material Science and Technology, entre otras. Fue asesor huésped en el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) de 1989 a 1993 como candidato a investigador y de 1998 a 2012 como investigador nivel 1. Es miembro del Sistema Estatal de Investi-gadores (SEI-Morelos).

ROBERTO SANTANA MARTÍNEZ BETANCOURT [[email protected]]

Ingeniero Electricista por el Instituto Politécnico Nacional (IPN). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 2010 a la División de Sistemas Eléctricos. Su área de espe-cialidad se relaciona con la evaluación y diagnóstico de aisla-miento de equipo eléctrico de alta tensión. Ha participado en evaluación en campo de equipo primario de subestación para el desarrollo de un sistema de diagnóstico basado en condición y en pruebas de degradación de fluido dieléctrico en laboratorio. Actualmente colabora en el grupo de investigación aplicada, re-lacionado con el desarrollo de sistemas de monitoreo de la cali-dad del aislamiento de equipo eléctrico primario utilizando la nanotecnología. Es coautor de patentes en trámite.

De izquierda a derecha: Leonardo Rejón García y Roberto San-tana Martínez Betancourt.

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Artículo técnico

Procedimientos de evaluación de la condición de transformadores de potencia y subestaciones aisladas en gas

Carlos Gustavo Azcárraga Ramos, Roberto Liñán García, José Armando Nava Guzmán y José Tomás Ramírez Niño

Abstract

In an effort to minimize the risk of failure of the main substation equipment, the Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) has developed and implemented diagnostic procedures using conventional techniques and non standardized tests. They have been applied successfully at CFE and PEMEX 115kV to 400 kV power equipment since 1997. The main tests for transformers and gas-insulated substations (GIS) that were used to estimate the operating conditions of electrical equipment and to detect incipient problems are described in this article. Some re-sults of its practical application are also shown.

El IIE aplica dos conjun-tos diferentes de prue-bas: el análisis para el diagnóstico del siste-ma aislante y el análi-sis electromecánico de devanados.

Introducción

Los principales equipos eléctricos involucrados en los procesos de generación, transmisión y distri-bución son de vital importancia para garantizar el suministro de energía seguro y confiable. El equipo eléctrico está sometido a envejecimiento natural y a condiciones de operación adversas, como eventos de sobrecarga y cortocircuito. Debido a esto es in-dispensable contar con herramientas que permitan estimar el grado de deterioro de los aislamientos y la integridad del sistema electromecánico.

Las técnicas de prueba estandarizadas han demos-trado su utilidad, sin embargo, la tecnología actual permite utilizar técnicas no convencionales, con las cuales es posible analizar con más detalle las condi-ciones operativas de los equipos de potencia.

En el caso de transformadores, el enfoque del IIE in-cluye técnicas de pruebas como el análisis de gases disuelto (DGA), la detección de descargas parciales

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Artículo técnico

Figura 1. Detección de DP acústicas en un transformador.

(DP) por método acústico y herramientas de prueba fuera de línea, como el aná-lisis de la respuesta de frecuencia (FRA) y la espectroscopia dieléctrica (FDS). En cuanto a la evaluación del estado de las GIS se aplican técnicas de diagnóstico que incluyen la detección de UHF DP fuera de línea y en operación.

Evaluación de vida útil en transformadores de potencia

Con el fin de realizar la evaluación integral del transformador, el IIE aplica dos conjuntos diferentes de pruebas: El análisis para el diagnóstico del sistema aislante y el análisis electromecánico de devanados. Ambos se complementan entre sí, permitiendo obtener un conocimiento exacto de las condiciones ope-rativas de los activos.

Diagnóstico del sistema de aislamiento

La incidencia de cortocircuito, las condiciones adversas de servicio y el tiempo de vida operativa son los principales aspectos a tener en cuenta en un transfor-mador. Las principales herramientas propuestas por el IIE para el diagnóstico del aislamiento de transformadores son la detección DP acústica, la DGA y la FDS.

Descargas parciales acústicas (DP acústicas)

La detección acústica de DP se realiza mediante un equipo de prueba diseñado y fabricado por el IIE. El equipo de pruebas consiste de un conjunto de sen-

sores acústicos ultrasónicos que miden en la banda de los 150 KHz, un módulo concentrador y una computadora. Cada módulo concentrador maneja cuatro sensores acústicos y pueden ser interconecta-dos tres o más módulos concentradores simultánea-mente. Los módulos concentradores capturan las formas de onda de la envolvente de las señales acús-ticas detectadas. Un programa de control desplie-ga la información de las formas de onda acústicas adquiridas, su frecuencia de repetición, sus tiempos de arribo y mediante un análisis posterior, la locali-zación de las DP dentro del tanque (Ramírez-Niño y Pascacio, 2009). La figura 1 muestra la detección acústica de DP en un transformador.

Gases disueltos en el aceite (DGA)

Las sobrecargas, DP y arqueos en el interior del transformador degradan químicamente el aisla-miento aceite-papel, generando varios gases que se disuelven en el aceite según la energía asociada a la falla. De acuerdo con esto es posible diagnosticar un tipo particular de falla, midiendo la concentra-ción de determinados gases. El análisis de tenden-cias en función del tiempo de estas concentracio-nes, en conjunto con la detección acústica de DP, el análisis fisicoquímico del aceite y la detección de furfurales hacen de la DGA una herramienta de diagnóstico normalizada, rentable y de bajo cos-to. Los métodos de análisis preferidos para DGA son criterios de concentración máxima, el trián-gulo de Duval y métodos Dornenburg y Rogers. Espectroscopia dieléctrica (FDS)

La FDS ha sido utilizada por los laboratorios y universidades de todo el mundo desde hace mu-chos años (IDAX 300). Es una prueba dieléctrica que se fundamenta en que las pérdidas dieléctricas son dependientes de la frecuencia, por lo que me-diante la inyección de señales de prueba en pasos de frecuencia entre 1 mHz y 1 kHz es posible in-ferir problemas de aislamiento y principalmente la presencia de humedad (figura 2). Esta técnica de prueba se prefiere a las mediciones de “Tan Delta” convencionales, ya que produce pérdidas dieléc-tricas equivalentes a las que se lograrían mediante el uso de una fuente de alimentación de muy alta tensión.

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Artículo técnico

Figura 2. Factor de disipación y curvas de capacitancia para un sistema aislan-te aceite-papel.

Desde 2007, el IIE utiliza un sistema comercial pa-ra llevar a cabo esta herramienta de diagnóstico de transformadores de medida, fecha desde la que ha sido posible programar el reemplazo de transforma-dores de corriente defectuosos, mediante la correla-ción de la espectroscopia dieléctrica con medicio-nes de humedad en sitio y pruebas de laboratorio físico-químicas.

Diagnóstico de devanados

El circuito equivalente en alta frecuencia del trans-formador puede ser considerado como una red RLC (figura 3). La inductancia se asocia a los de-vanados y al comportamiento del núcleo magnéti-co. La resistencia representa las pérdidas en el cobre que dependen de la longitud y el diámetro de los devanados, y también puede ser correlacionada con los contactos del cambiador de derivaciones y con las pérdidas dieléctricas. La capacitancia a tierra o entre devanados tiene que ver con la geometría del arreglo interno del transformador y está definida por los materiales, formas y distancias dieléctricas entre devanados a tierra y entre los devanados de alta y baja tensión. Si la frecuencia aplicada es lo suficientemente alta es posible identificar cambios geométricos en bobinas y entre vueltas, revelando la existencia de fallas incipientes.

En la técnica de FRA se aplican voltajes alternos de frecuencia variable con pasos discretos a diferentes arreglos de devanados en el transformador y se rea-liza la medición de impedancia, admitancia, ángulo de fase o cualquier otro parámetro adecuado, en fun-ción de la frecuencia aplicada. La técnica FRA aporta sus resultados de forma gráfica principalmente. Ana-lizando las respuestas en frecuencia de los devanados es posible determinar qué tipo de problema afecta a la integridad electromecánica del transformador.

Diagnóstico de subestaciones aisladas en gas (GIS)

El IIE utiliza dos métodos de detección de DP dife-rentes para el diagnóstico de GIS: en el dominio del tiempo y en la banda de frecuencias UHF.

Para ambos métodos se utilizan diferentes senso-res UHF para acoplar las señales de actividad de

DP. Las GIS pueden tener sensores pre-instalados en las pantallas de puesta a tierra (Power IT SF6 Gas-insulated Switchgear), sensores ubicados en pun-tos específicos de prueba dentro de las cámaras de GIS, sensores externos ti-po ventana y sensores acoplados en las aperturas de los aisladores soporte. La teoría de funcionamiento de todos los sensores anteriormente enumerados en UHF se basa en la teoría de la carga inducida desarrollado por Pedersen (Pe-dersen et al., 1991) y en la teoría desarrollada totalmente por Judd et al (Judd, 1996), que aplica la teoría de guías de onda en UHF, para explicar la propaga-ción de las DP dentro de las cámaras de la GIS.

Los sensores pre-instalados son dispositivos que ofrecen una mejor sensibilidad y selectividad, sin embargo, las GIS antiguas no cuentan con estos sensores, por lo que también se emplean sensores tipo ventana (figura 4), o sensores de apertura.

Figura 3. Circuito equivalente en alta frecuencia de un transformador.

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Artículo técnico

Figura 4. Sensor ventana externa de DP en UHF conectado con un pre-am-plificador de UHF comercial.

Figura 5. Señales acústicas detectadas en la cámara del cambiador bajo carga de un transformador de potencia.

El aislador soporte aislante se utiliza para captar las señales de UHF que se propagan dentro de las cá-maras de la GIS. Todos los tipos de sensores antes mencionados son sensores capacitivos que funcionan como antenas en alta frecuencia y proporcionan se-ñales que deben ser amplificadas y procesadas para ser utilizadas como medio de diagnóstico, cuando se realizan mediciones en el dominio de la frecuencia.

El análisis de tiempo de viaje de las señales de DP es la forma más sencilla de localizar el origen de dichas señales en el interior de la GIS. La diferen-cia de tiempo entre los frentes de onda que llegan a dos sensores UHF contiguos permite determinar la ubicación de la fuente de DP. El empleo de esta técnica requiere de especial cuidado en la adapta-ción de impedancia entre el sensor y el equipo de medición, debido al alto contenido en frecuencia de las señales medidas. Asumiendo una constante dieléctrica y una permeabilidad magnética de 1 pa-ra el SF6 y despreciando el efecto de las barreras ais-lantes, la velocidad de propagación de las señales de DP es aproximadamente C = 0,3 m / ns.

Resultados principales

En esta sección se presentan algunos resultados importantes obtenidos por el IIE al evaluar trans-formadores y transformadores de instrumento. Por limitantes de espacio no se mostrarán ejemplos de todas las técnicas descritas.

Detección de DP Acústicas

Se presentan dos casos de estudio en donde se muestra cómo estas técnicas pueden contribuir a detectar problemas incipientes: La detección de tracking eléctrico en la cámara de aislamiento sóli-do de un OLTC (cambiador de derivaciones bajo carga) y detección de contactos sueltos en un tap capacitivo de una boquilla.

En México, las fallas en accesorios son la cau-sa principal de los incendios y las explosiones de transformadores de potencia, por lo que la detec-ción temprana de estos problemas reduce la tasa global de fallas. En ambos casos, el diagnóstico se confirmó mediante la realización de la inspección interna de los accesorios involucrados, como se muestra en la figura 5.

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Artículo técnico

Figura 7. Resultados combinados propuestos por el IIE para clasificar la con-dición de transformadores de medida del sistema de aislamiento.

Figura 6. Falla del tap capacitivo detectada por DP acústicas y confirmado por inspección visual.

Es importante señalar que aunque la detección DP acústica es una herramienta muy valiosa, se debe complementar con pruebas adicionales y el cono-cimiento de la construcción interna del transforma-dor para validar los resultados del diagnóstico.

El IIE ha aplicado la detección DP acústica en más de un centenar de transformadores y reactores. Tal como se mostró aquí, el cambiador de derivaciones y problemas en boquillas son los defectos más co-munes que se han encontrado.

Espectroscopía dieléctrica (FDS)

En años recientes, la CFE se enfrentó a una alta ta-sa de fallas en transformadores de instrumento (TI) en las regiones costeras o de alta humedad. Las téc-nicas de prueba convencionales aplicadas en fábrica a estos equipos no mostraban resultados que sugi-rieran problemas de fabricación.

Los experimentos realizados en el IIE revelaron que la combinación de FDS, la evaluación de contenido de humedad, rigidez dieléctrica y el análisis de gases disueltos se pueden utilizar en campo, para discriminar efectivamente defectos en TI. A partir de los resultados obtenidos con estas técnicas se realizaron gráfi-cos que permiten evaluar la integridad del sistema aislante de una manera muy simple. La figura 7 muestra un gráfico que contiene los resultados combina-dos de las técnicas propuestas. Los conjuntos que se muestran en forma gráfica revelan automáticamente qué TI necesitan ser reemplazados, cuáles requieren mantenimiento y cuáles están en buenas condiciones operativas.

Conclusiones

Las principales conclusiones obtenidas de la aplicación de técnicas de diagnós-tico de transformadores y GIS son las siguientes:

Las técnicas de detección de DP estandarizadas aplicadas en transformadores y GIS muestran muchas desventajas durante su aplicación en campo. Estas téc-nicas son solo adecuadas para condiciones controladas de laboratorio, donde la interferencia electromagnética y las capacidades de alta potencia de las fuentes de alimentación no son una limitante. Las técnicas de medición en UHF y la detección acústica de DP ofrecen una alta sensibilidad y selectividad, y no presentan los inconvenientes de las técnicas estandarizas de detección de DP. El análisis en el dominio de tiempo permite la ubicación de origen de las DP dentro transformadores y cámaras de GIS, pero requieren al me-nos dos sensores de UHF o cuatro sensores acústicos para obtener re-

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Artículo técnico

sultados fiables. Como una limitante importante de estas técnicas se tie-ne que la correcta interpretación de sus señales es, en algunos casos, una tarea muy compleja que requiere de experiencia por parte del usuario. La espectroscopia dieléctrica ha demostrado ser una herramienta de diagnósti-co muy valiosa en transformadores de instrumento. Su aplicabilidad en trans-formadores de potencia debe ser todavía validada, ya que este tipo de equipo tiene una geometría más compleja.

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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. 487–497, June 1991.

Judd, M D. The excitation of UHF GISnals by partial discharge in gas insulated substations. PhD Thesis, University of Strathclyde, June 1996.

Hoek1 S.; Riechert U.; Strehl T.; Tenbohlen S. and Feser K. A New Procedure for Partial Discharge Localization in Gas-Insulated Switchgears in Frequency Domain. Proceedings of the XIVth In-ternational Symposium on High Voltage Engineering, Tsinghua University, Beijing, China, August 25-29, 2005.

CARLOS GUSTAVO AZCÁRRAGA RAMOS[[email protected]]

Doctor en Ingeniería Electrotécnica por la Universidad de Bolo-nia, Italia en 2014. Maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica con mención honorífica por la SEPI-ESIME del Instituto Poli-técnico Nacional en 2004. Licenciatura en Ingeniería Electro-mecánica con honores por el Instituto Tecnológico de Zacatepec en 1995. Después de participar en el programa de Adiestramien-to en Investigación Tecnológica (AIT) en 1997 fue contratado por la Gerencia de Equipos Eléctricos del Instituto de Investi-gaciones Eléctricas (IIE) para el desarrollo de técnicas de alta sensibilidad para el diagnóstico de transformadores de potencia y equipo primario de subestaciones. Ha representado al IIE en diversos foros nacionales e internacionales. Fue el representante mexicano en el Comité SC A3 High Voltage Equipment de Ci-gré del 2009 al 2014. Es autor y coautor de más de 30 artículos técnicos relacionados con la evaluación del sistema dieléctrico de equipos de alta tensión. Ha impartido cátedras relacionadas con sus intereses técnicos en la Universidad Cuauhnáhuac, la Uni-versidad Fray Luca Paccioli, la Universidad Morelos y el Centro de Posgrado del IIE. Sus temas de investigación actual incluyen las técnicas de diagnóstico de equipo de alta tensión, transitorios electromagnéticos, descargas parciales y técnicas numéricas para la solución de campos electromagnéticos.

De izquierda a derecha: José Tomás Ramírez Niño, Carlos Gustavo Azcárraga Ramos y José Ar-mando Nava Guzmán.

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Artículo técnico

JOSÉ ARMANDO NAVA GUZMÁN[[email protected]]

Ingeniero Electricista por el Instituto Tecnológico de Tepic en 1992. Este mismo año ingresó al primer programa de Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT), siendo contratado por la Gerencia de Equipos Eléctricos del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1993. La experiencia adquirida en el IIE la ha permitido desempeñarse como jefe de proyectos relacionados con el diagnóstico en línea y fuera de línea de equipo primario de subestaciones y de proyectos relacionados con el análisis del comportamiento de equipo eléctrico conectado al sistema eléctrico nacional. Dirigió el proyecto en el cual se fabricaron e instalaron los primeros transformadores de corriente (TC) clase 230 kV con tap capacitivo para su diagnóstico en línea. Actualmente, estos equipos se tienen monitoreados de manera permanente a través del Centro de Monitoreo de Ac-tivos de Transmisión (CEMODAT) Occidente. Tiene diversas publicaciones en foros nacionales e internacionales de la IEEE referente al diagnóstico del sistema dieléctrico de equipo eléctrico de al-ta tensión. Es representante del IIE ante el Comité de Especialistas de Interruptores de Potencia y Equipo Afín, y del Grupo DLI Equipo Primario de Desconexión de Subestaciones de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

JOSÉ TOMÁS RAMÍREZ NIÑO[[email protected]]

Doctor en Ciencias e Ingeniería de Materiales por la Universidad Autónoma del Estado de More-los (UAEM) en 1998. Maestro en Electrónica por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en1980. Licenciado en Ingeniería Mecánica Eléctrica por la UNAM en 1974. Inició su actividad de investigación en 1981 en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Inicialmente  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, siendo su especialidad el diseño electrónico, la instrumentación y el  análisis de señales. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), con nombramiento  de Investi-gador Nivel I de 1986 a 1994 y de 1998 a la fecha.  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 (STC) Metro. Actualmente se desempeña en la Gerencia de Equipos Eléctricos de la División de Sistemas Eléctricos, siendo responsable del grupo de instru-mentación electrónica para el diagnóstico de equipos eléctricos. Es autor de doce patentes y dieci-nueve artículos internacionales, cuya tecnología se aplica actualmente en el monitoreo de más de cuarenta generadores de potencia de la CFE.

ROBERTO LIÑÁN GARCÍA[[email protected]]

Doctor en Ingeniería Eléctrica por la University de Salford, In-glaterra en 1994. Maestro en Sistemas Computacionales por el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), campus Morelos en 1984. Ingeniero Eléctrico por la Universidad Autónoma de Coahuila en 1983. Su área de espe-cialidad es el diseño y la operación de equipos de interrupción y seccionamiento. En 1982 ingresó al IIE, donde actualmente se desempeña como Gerente de Equipos Eléctricos. Obtuvo el 2o. lugar de tesis de licenciatura en el V Certamen Nacional de tesis sobre diseño y fabricación de equipo eléctrico, así como mención honorífica del Premio Nacional de Ciencia y Tecno-logía 1982. Ha sido Investigador Honorario del Departamento de Energía Eléctrica y Electrónica de la Universidad Liverpool, Inglaterra, y pertenece al Condition Monitoring Inner Circle of the Current Zero Club, organización internacional dedicada a la investigación de arco eléctrico en equipos de interrupción. Ha publicado diversos artículos técnicos sobre nuevas técnicas de diagnóstico para equipos de interrupción, seccionamiento y transformadores de potencia.

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Comunidad IIE

Director de la CFE de visita en el IIE

El 18 de julio de 2014 se llevaron a cabo, en las instalaciones del IIE en Cuer-navaca, Morelos, las CXLI y CXLII reuniones de la H. Junta Directiva del Instituto, las cuales fueron presididas por Enrique Ochoa Reza, Director de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

En la reunión CXLII se habló sobre la visión estratégica del IIE con base en la reforma energética y se destacó que en la visión de futuro, el IIE replanteó sus líneas de desarrollo tecnológico enfocándose en cuatro ejes: el abatir costos de la CFE, la innovación tecnológica para SENER, CFE, CENACE, CNH, CRE e industria eléctrica; el desarrollo de capital humano de excelencia, y la innova-ción social. Enrique Ochoa agregó que además de abatir costos, hay que consi-derar aumentar sus ingresos, toda vez que esta entidad habría de convertirse en una empresa productiva del Estado, tras la aprobación de las leyes secundarias de la reforma energética.

Al finalizar las reuniones se llevó acabo la presentación de Enrique Ochoa en el auditorio, donde ofreció una plática relacionada con los beneficios de la refor-ma energética tanto para la CFE como para el IIE, e hizo hincapié en que hoy más que nunca, esta entidad seguirá apoyándose en el Instituto, considerando que éste cuenta con los mejores investigadores en su rama y se comprometió a brindarle todo el apoyo que se requiera para que continue con sus operaciones y fortalezca su crecimiento.

IIE colabora con el nuevo CENACE

El pasado 1 de septiembre de 2014, el recién creado Centro Nacional de Con-trol de Energía (CENACE), con el apoyo de la Comisión Federal de Electrici-dad (CFE), celebró un contrato con el IIE para la adecuación de los sistemas y modelos del mercado interno, que permitirán iniciar la operación del Mercado Eléctrico Mayorista a fines de 2015.

Cabe destacar que el pasado 29 de agosto de 2014 entró en vigor el Decreto de creación de esta entidad, cuyo consejo de administración, presidido por el Secretario de Energía, Pedro Joaquín Coldwell, está integrado por el director general del CENACE, Eduardo Meraz Ateca; el subsecretario de Electricidad de la SENER, César Emiliano Hernández Ochoa; el subsecretario de Ingresos de la Secretaría de Hacienda, Miguel Messmascher Linartas; el director general de Análisis, Seguimiento e Información Eléctrica de la Secretaría de Energía, César Alejandro Hernández Alva, y los consejeros independientes Luis Agustín Álvarez Icaza Longoria y Juan de Dios Enrique Rosellón Díaz.

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Comunidad IIE

Innovar para transformar

En el marco del inicio de los festejos del 40 aniversario del IIE, el pasado 3 de octubre de 2014 Guillermo Fernández de la Garza, uno de los primeros Direc-tores Ejecutivos de esta organización, dictó la conferencia magistral: “Creativi-dad e imaginación, los nuevos retos de la innovación”.

Con relación al IIE dijo que esta entidad debe mantenerse actualizada en cuan-to a su capacidad para crear cosas nuevas, lo cual es una de sus fortalezas, para de esta forma seguir apoyando al sector eléctrico, convirtiéndose en un refe-rente nacional que ha apoyado a otras empresas públicas y privadas del sector energético. Asimismo planteó que la tendencia deberá ser la creación de em-presas más impactantes que generen mejores empleos, ayudando a que la socie-dad tenga lo necesario para vivir bien, pero que para ello es muy importante la comunicación, que va de la mano con saber trabajar en equipo.

También destacó que para crear algo novedoso son importantes la creatividad y la imaginación, así como atrevernos a hacer las cosas sabiendo que podemos fa-llar, pero conscientes de que vamos a aprender de nuestros errores y que lo ha-remos mejor la siguiente vez. Agregó que es importante la educación continua, ya que es parte esencial de nuestra vida, así como lo son nuestras capacidades intelectuales y emocionales.

Innovación y desarrollo sustentable en el Estado de Morelos

Con el objetivo de generar conciencia en la población sobre las necesidades de un consumo responsable y racional de electricidad, así como el uso sustentable de los recursos naturales, se llevó a cabo el evento “Alternativas Verdes” del 16 al 18 de octubre de 2014, en el World Trade Center de Xochitepec, Morelos, evento que fue inaugurado por el Presidente de México, Enrique Peña Nieto y el Gobernador del Estado de Morelos, Graco Ramírez Garrido Abreu. Tam-bién estuvieron presentes el Secretario de Energía, Pedro Joaquín Coldwell y el Director de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), Enrique Ochoa Reza.

El IIE estuvo presente en este evento en su calidad de líder tecnológico y de in-vestigación en las áreas de energías renovables, así como entidad coordinadora del Centro Mexicano de Innovación en Energía Eólica (CEMIE Eólico). José Luis Fernández Zayas, Director Ejecutivo, participó en el panel científico “In-novación para la sustentabilidad: Centros Mexicanos de Innovación en Energía (CEMIE)”.

En este evento también participaron empresas privadas, instituciones públicas, instituciones académicas, oficinas de transferencia, centros de investigación, representantes de gobiernos estatales, miembros del gobierno federal, asocia-ciones civiles, estudiantes universitarios y de nivel medio superior, así como público en general.

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Breve técnica

Mantenimiento de activos basado en condición

Leonardo Rejón García [email protected]

Las estrategias de mantenimiento han mostrado una evolución importante en años recientes, esto con la finalidad de incrementar la disponibilidad y confiabilidad de los activos, con la consecuente optimización y reducción en los costos de mantenimiento.

Se ha pasado de estrategias basadas en mantenimiento reaccionario (dejar que la falla ocurra), mante-nimiento basado en el tiempo (programados), mantenimiento basado en confiabilidad (método RCM), mantenimiento basado en condición (estado del activo), a uno que en un futuro cercano se visualiza como mantenimiento basado en riesgo, en valor y en desempeño del activo.

A partir de 2011, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) inició el desarrollo de un sistema para el diagnóstico de transformadores de potencia basado en la condición de éstos, para la Subdirección de Transmisión de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), a través de la Coordinación de Transmisión y la Gerencia de Subestaciones de la misma dependencia.

Actualmente, el sistema desarrollado en su primera fase se encuentra instalado en un servidor conectado a la red de la CFE, para su uso en las nueve Gerencias Regionales de la Subdirección de Transmisión. La base del desarrollo del sistema mencionado es extrapolable a otros equipos eléctricos primarios de subesta-ciones y a máquinas eléctricas rotatorias. Es importante mencionar que ya se ha registrado un caso de éxito

Figura 1. Sistema de Diagnóstico de Transformadores de Potencia.

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Breve técnica

Figura 2. Pruebas para la evaluación de la condición.Figura 3. Resultado obtenido de la condición.

Figura 4. Gráfico de priorización de atención de los activos evaluados.

de este sistema, en donde un autotransformador de la subestación Torreón Sur fue retirado de operación y se encuentra en proceso de reparación por reclamo a la aseguradora. El uso del sistema evitó la falla de dicho autotransformador.

La figura 1 muestra la pantalla de inicio del Sistema de Diagnóstico de Trans-formadores de Potencia. La figura 2 muestra las pruebas consideradas para la evaluación de la condición. En la figura 3 se muestra la pantalla del sistema, donde se indica el resultado obtenido de la condición, recomendaciones, accio-nes a realizar, así como el índice de importancia del activo. Finalmente, la fi-gura 4 presenta un gráfico de priorización de atención de los activos evaluados con base al desgaste y la importancia de los mismos en la red eléctrica.

Lo expuesto demuestra que el IIE cuenta con la capacidad para realizar el diag-nóstico de equipos primarios de subestaciones y máquinas rotatorias, así como el desarrollo de sistemas que permitan realizar dicho diagnóstico en forma au-tomatizada, otorgando los siguientes beneficios: mejora en la confiabilidad del activo, reducción de tiempos de indisponibilidad, maximización de la vida útil, operación a máxima carga sin afectar la vida útil, reducción de costos por man-tenimiento, entre otros.

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Breve técnica

Diagnóstico en sitio de subestaciones aisladas en gas y cables de energía de alta tensión

Carlos Gustavo Azcárraga Ramos [email protected]

El incremento de la demanda de energía eléctrica y los requisitos de confiabili-dad de los sistemas que la generan, transmiten y distribuyen, hace necesario el empleo de tecnologías que garanticen la continuidad de los componentes invo-lucrados, optimizando las condiciones técnico-económicas del proceso.

Debido a razones de estética, poca disponibilidad de espacio físico, instalación en condiciones de alta contaminación ambiental y resistencia a esfuerzos pro-vocados por sismos y por descargas atmosféricas, se ha considerado la instala-ción de redes subterráneas de energía, en conjunto con subestaciones aisladas en gas SF6 (GIS, por sus siglas en inglés) como una de las alternativas más via-bles para satisfacer las restricciones que prevalecen actualmente en los sistemas eléctricos de potencia. Una vez instalados estos equipos se requiere, durante su puesta en servicio, del empleo de técnicas de diagnóstico de alta sensibilidad que permitan a los actores del proceso, garantizar el correcto desempeño del sistema dieléctrico de estos equipos, que es el subsistema más comprometido en equipos eléctricos de alta tensión.

La normativa internacional marca los lineamientos necesarios para la puesta en servicio de cables de energía y de GIS. Dos de las principales herramientas para evaluar el estado dieléctrico de estos equipos son la prueba de potencial aplica-do Hi-Pot con corriente alterna (CA) y la medición de descargas parciales (DP) en simultáneo con la prueba Hi-Pot. El empleo en campo de estas dos técnicas plantea retos tecnológicos importantes, tales como contar con la fuente de ten-sión adecuada para generar y controlar la tensión de prueba, así como obtener los niveles adecuados de sensibilidad para la medición de DP.

La Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) cuenta con la experiencia en el diseño y fabricación de fuen-tes resonantes de tensión, capaces de suministrar la tensión de prueba a cargas altamente capacitivas, como aquéllas que representan las GIS y los circuitos de cables de energía. Para proporcionar una tensión de prueba controlada, el IIE cuenta con un transformador resonante de frecuencia variable, el cual pro-porciona una tensión de prueba máxima de 320 kV y 6 A, en un rango de frecuencia entre 20 Hz y 400 Hz. La tensión de prueba puede ser monitoreada en todo momento mediante un divisor de tensión capacitivo de 320 kV, con una relación de 10,000:1.

La medición de descargas parciales es una herra-mienta poderosa de diagnóstico empleada desde hace más de 30 años por la GEE y que se ha venido adecuando a las condiciones actuales de los siste-mas eléctricos.

La evaluación del sistema dieléctrico que el IIE lle-va a cabo en GIS y circuitos de cables de energía se realiza en la puesta en servicio de estos equipos, durante trabajos de mantenimiento y después de rehabilitaciones posteriores a una falla.

A continuación se describen brevemente las dos técnicas utilizadas y adaptadas para México por el IIE para la evaluación de estos equipos:

Prueba de potencial aplicado con corriente alterna

En los cables de energía la prueba se realiza hasta que todos sus accesorios, como las terminales y em-palmes, se encuentran completamente instalados. La prueba de Hi-Pot sigue el procedimiento indi-cado en las normas IEC 60840 (IEC 60840, 2004) o IEC 62067 (IEC 62067, 2006). Las tablas 1 y 2 indican la tensión de prueba para cable de energía, de acuerdo con su tensión de diseño. La normativa de referencia establece que la frecuencia de la ten-sión de prueba puede ser entre 20 Hz y 300 Hz, y se aplica durante sesenta minutos.

En el caso de GIS, la prueba se efectúa hasta que la instalación está completamente terminada. Ade-más es necesario definir las condiciones de prueba (las secciones a energizar y la frecuencia de prueba

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Breve técnica

estimada). Para una frecuencia de prueba menor a 60  Hz puede ser necesario retirar los transforma-dores de potencial (TP´s) instalados en la GIS pa-ra evitar su saturación. La prueba de Hi-Pot sigue las recomendaciones de la norma IEC 62271-203 (IEC 62271-203, 2003). Como consideraciones generales se tiene que la frecuencia de la tensión de prueba puede ser entre 10 Hz y 300 Hz, y es apli-cada durante un minuto.

Medición de descargas parciales

Las descargas parciales (DP) son un fenómeno eléc-trico que se presenta por la ionización de defectos en el aislamiento principal del equipo eléctrico, o por la ionización de gas circundante en las zonas con alto gradiente eléctrico. Este fenómeno puede acelerarse por la presencia de humedad, alta tem-peratura y por la contaminación depositada en los aislamientos. Dependiendo del tipo de aislamiento (seco, aceite-papel o polimérico) o del tipo de equi-po bajo prueba, se define el valor máximo de DP permitido. Particularmente, para los aislamientos empleados en cables de energía y GIS se requiere un nivel máximo de DP del orden de 5 pC para garantizar un funcionamiento correcto.

Para cables de energía y GIS, la normativa de re-ferencia indica que la medición de DP se efectúa como parte de las pruebas de aceptación en fábrica. En el caso de cables de energía se establece la medi-ción de DP sólo en fábrica. Por experiencia, tam-bién es recomendable efectuar la medición de DP durante la evaluación en sitio, como una referencia para verificar la calidad de la instalación del cable y sus terminales. La normativa aplicable para GIS establece que la medición de DP debe ser efectuada en fábrica y en sitio.

Existen diversos métodos de detección de DP en equipo de alta tensión, los cuales van desde el método normalizado según la Norma IEC 60270 (IEC 60270, 2000) más adecuada para mediciones en fábrica, hasta métodos novedosos que operan en el rango de ultra alta frecuencia (UHF, por sus si-glas en inglés), rango en el cual realmente ocurren las DP y que resulta más adecuado para mediciones en campo.

Figura 1. Principio de detección de DP en UHF, ejemplos de patrones obteni-dos y determinación del origen por análisis en el dominio del tiempo.

Figura 2. Ejemplos de sensores disponibles para la detección de DP en GIS.

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Breve técnica

Además del empleo de la medición de descargas parciales en conjunto con po-tencial aplicado, esta metodología se utiliza para la evaluación en línea de las GIS, utilizando diversas técnicas de acoplamiento a su sistema aislante, me-diante antenas que básicamente capturan la radiación electromagnética pro-ducida por las DP y que se transmite por el interior de la GIS utilizando sus propiedades de guía de ondas. Este método favorece la detección y ubicación de las DP.

En las siguientes figuras se aprecian algunos senso-res utilizados para la evaluación de GIS según el es-quema de medición UHF, los principios teóricos de la técnica y ejemplos de patrones obtenidos durante su aplicación en GIS nacionales.

Es importante mencionar que a pesar de que la sen-sibilidad obtenida con estas técnicas ha permitido minimizar el riesgo de falla en este tipo de subes-taciones en el país, aún se debe trabajar en el diag-nóstico integral de estos equipos, incluyendo en la metodología de diagnóstico técnicas fisicoquímicas, mecánicas y de análisis de transitorios, para cubrir el espectro de fallas que afectan tradicionalmente a estos equipos. El empleo de sensores ópticos, na-notecnológicos y piezoeléctricos aún en desarrollo, contribuirán en el futuro cercano al monitoreo eco-nómico de GIS y cables.

La GEE del IIE trabaja en la integración de estos esquemas para brindar a sus clientes un enfoque in-tegral para la puesta en servicio y gestión del man-tenimiento de estos equipos, que permitirá incre-mentar su confiabilidad.

Figura 3. Patrones de a) verificación de la sensibilidad y de b) descargas par-ciales en GIS.

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Breve técnica

Eficiencia energética de motores y generadores eléctricos

Francisco Antonio Carvajal Martínez [email protected]

La ley de la conservación de la energía establece que ésta no se crea ni se destruye, sólo se transfor-ma. Cuando una forma de energía se transforma en otra, se produce una pérdida de energía apro-vechable, es decir, tales transformaciones no son eficientes.

El concepto de eficiencia energética tiene que ver con la cantidad de energía útil que se puede obte-ner de un sistema o de una máquina. Así también, este concepto se refiere a todas las acciones que ten-gan como objetivo una reducción económicamente factible de la cantidad de energía necesaria para sa-tisfacer las necesidades energéticas de una instala-ción determinada, asegurando un nivel de calidad igual o superior, y una disminución de los impactos ambientales negativos derivados de la generación, distribución y consumo de energía.

Actualmente, en México se han diseñado políticas públicas para el aprovechamiento sustentable de la energía, basadas en el fortalecimiento del marco normativo (Normas Oficiales Mexicanas) en mate-ria de eficiencia energética y por medio de la imple-mentación de programas de transición energética.

El Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía 2014-2018 indica que el mayor impacto de las acciones de eficiencia energé-tica se obtiene a través de la utilización de equipos con mayores niveles de eficiencia energética, y la aplicación de buenas prácticas y hábitos operativos de los equipos en relación al uso de energía. Debi-do a esto y considerando que las máquinas eléctri-cas rotatorias, que incluyen principalmente moto-res y generadores eléctricos, representan el equipo eléctrico de mayor consumo y generador de energía

eléctrica en el país. La Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) lleva a cabo proyectos relacionados a la evalua-ción de la eficiencia energética de motores de gran capacidad (mayores a 500 C. P.) y generadores eléctricos utilizados en centrales de generación.

La evaluación de la eficiencia energética de motores de gran capacidad forma parte de proyectos para lograr la eficiencia energética por el lado de la deman-da, los cuales incluyen acciones y prácticas dirigidas a reducir la demanda de energía. La evaluación de la eficiencia energética de generadores eléctricos utili-zados en centrales de generación forma parte de proyectos de eficiencia energé-tica por el lado de la oferta, esto es, el conjunto de medidas adoptadas para ga-rantizar la eficiencia a lo largo de la cadena de suministro de energía mediante la mejora de la operación, mantenimiento y rehabilitación, con tecnologías de vanguardia de los equipos actuales.

Fotografía 1. Motor eléctrico de media tensión de una central de generación.

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Breve técnica

Como parte de las acciones y estrategias necesarias para cumplir con el ob-jetivo de reducir las pérdidas técnicas en las centrales de generación, la GEE realiza diagnósticos energéticos de motores eléctricos de media tensión utili-zados en los servicios propios de estas plantas, mediante metodologías basadas en mediciones en línea de parámetros de operación (fotografía 1). El cálculo de la eficiencia energética de los motores se realiza con base al método Ontario Hydro modificado (IEEE 112 Método “E” de pérdidas segregadas modifica-do). De este análisis energético (consumo motores actuales vs. consumo con motores propuestos) se realiza la propuesta de sustitución de los motores que incrementan la eficiencia y confiabilidad de su operación, y permiten reducir el consumo de energía en los servicios propios de las unidades generadoras. Estas propuestas de ahorro energético se evalúan económicamente para determinar su viabilidad.

En México existen centrales hidroeléctricas cuyos generadores eléctricos cuen-tan con varios años de operación y algunos de éstos han sido rehabilitados, modificados o lo serán a corto plazo, por lo que sus parámetros de diseño ori-ginales han sido o serán cambiados, afectando su eficiencia energética (foto-

grafía  2). Actualmente, la eficiencia energética del generador es un parámetro utilizado para los análi-sis relacionados a la gestión de las centrales genera-doras y se utiliza para dar soporte técnico a la toma de decisiones relativas a las actividades de mante-nimiento, rehabilitación, sustitución y operación eficiente de estos equipos.

La eficiencia de un generador eléctrico es la rela-ción que existe entre su potencia eléctrica de salida y su potencia de entrada, bajo condiciones especí-ficas de operación. En máquinas pequeñas, dichas potencias pueden ser obtenidas de manera directa con medidores de par mecánico y medidores de potencia eléctrica. Sin embargo, en equipos más grandes, donde la potencia mecánica no puede ser medida directamente, se requiere de métodos de prueba distintos para obtener la llamada eficiencia convencional, basada en la cantidad de pérdidas que presenta el generador.

Las normas IEC incluyen cuatro métodos princi-pales para la determinación de la eficiencia ener-gética en generadores eléctricos, uno de los cuales es el método calorimétrico, que puede ser usado en máquinas enfriadas por aire que circula a través de un sistema abierto o cerrado y es descrito en deta-lle en la norma IEC 34-2A. Para la evaluación de la eficiencia de generadores, la GEE utiliza este método que se basa en el hecho de que las pérdi-das en el generador (figura 1) son iguales al calor disipado a través del medio de enfriamiento, más el calor perdido por radiación y convección en la superficie de referencia del equipo. En la práctica, el método calorimétrico cuenta con mayores ven-tajas de aplicación en generadores hidroeléctricos, en comparación con los otros métodos incluidos en la norma, debido principalmente a que es un mé-todo de prueba no intrusivo. Todas las pérdidas de la máquina aparecen en forma de calor. La mayor parte del calor generado en condiciones de carga es removido del generador por el medio refrigerante, lo cual significa que las pérdidas pueden ser deter-minadas principalmente con base en la diferencia de temperatura a la entrada y a la salida del sistema de enfriamiento, más el calor perdido por radiación y convección en las superficies del generador.

Figura 1. Método calorimétrico implementado por la GEE del IIE.

Fotografía 2. Generador eléctrico de una central hidroeléctrica.

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Artículo de investigación

A comparison of the PDIV characteristics of ester and mineral oils

Carlos Gustavo Azcárraga Ramos1, Andrea Cavallini2 and Ugo Piovan3

Abstract

The voltage-withstand properties from the point of view of partial discharge inception voltage (PDIV) of ester oils are comparable or even better to those of mineral oils. Ester oils could therefore replace mineral oils as insulation in high voltage transformers.

1 Instituto de Investigaciones Eléctricas2 Universidad de Bologna, Italia3 Trafoexperts GmbH, Uster, Suiza

Article originally published on the IEEE Electrical Insulation Magazine, Sept.-Oct. 2014

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Boletín IIEjulio-septiembre-2014

Artículo de investigación

Introduction

The growing price of mineral oils (MOs) over the last 15 years, and environ-mental and safety concerns, have promoted research on alternative insulating fluids. Ester oils (EOs), which were used initially in transformer insulation [1], have again attracted attention; both synthetic and natural liquids have been investigated thoroughly, in the search for suitable substitutes for MOs. EOs have interesting properties(CIGRE WG A2-35, 2010). Their most attractive properties are those concerning flammability, biodegradability and hygroscop-icity, a property that favors the drying of solid insulation, thus ensuring that depolymerization of cellulose is slowed down.

EOs also have drawbacks. They can be oxidized easily, so that additives are nec-essary, and their use is generally limited to non-breathing transformers. Their viscosities are larger than those of MOs, so that replacing MOs with EOs with-out adjusting the oil gaps between adjacent pressboard barriers requires caution. Also, their pour points are higher, which could limit their use in cold climates. Finally, streamer propagation under positive lightning impulses is faster than in MO, leading to lower lightning impulse breakdown voltages.

Their advantages promoted the use of EOs mostly in medium voltage trans-formers (generally below 35 kV)(Bertrand, 2012). Their use in high voltage (HV) transformers is hampered by the limited experience of manufacturers. The higher electric stress levels in HV transformers make detailed knowledge of the dielectric properties of the insulating oil essential. Partial discharge in-ception voltages (PDIVs) under ac or lightning impulse, and under corona and creepage discharges, are also relevant (Sokolov et al., 1999).

In this paper, we report a comparison between an MO and an EO based on soy seeds, both of commercial grade. Partial discharge tests were carried out in order to characterize fully the dielectric behavior of both oils. The measured data were treated statistically in order to deal with uncertainty. The experimen-tal results are compared with the available body of knowledge and the results of FEM simulations.

Sample preparation

Before testing, virgin MO an EO oil samples were:

1. Filtered using a filter with 2 µm pores

2. Dehydrated and degassed for 24 hours at ambient temperature and a pres-sure 0.1 mbar.

The effectiveness of the drying process was evaluated using a commercial Cou-lometric titrator. Following the above procedures and using a magnetic stirrer during oil drying, final water concentrations of 2-3 and 20-22 ppm were ob-tained for MO and EO respectively.

Pressboard (PB) samples were dehydrated and degassed using the following procedure(ASTM D2413-99, 2009):

1. The samples were placed in an open vessel that was heated in an oven at 115 °C for 24 hours at atmospheric pressure.

2. After closing the vessel, it was connected to the vacuum pump, maintaining a pressure less than 0.5 mbar for 48 hours.

3. Without breaking the vacuum, dry insulating oil was added to the vessel until the samples were completely immersed.

4. The temperature of the vessel was hold at 60 °C for 48 hours before breaking the vacuum.

5. After removing the vessel from the oven, the samples were extracted and stored in a dessica-tor for 24 hours, allowing them to cool to room temperature.

Test procedure

The PDIV measurements were performed for corona (point/plane electrodes in oil) and creepage (point/plane electrodes laid on a board sheet) discharges.

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Artículo de investigación

All tests were randomized in order to avoid illuso-ry correlation. Thus corona PDIV tests were per-formed following the gap sequence 20, 5, 40 and 10 mm. This procedure was followed to ensure that the effects of progressive, unnoticed changes in the components, e.g., needle tip losing its sharpness, board deteriorating as a result of burning marks, oil absorbing humidity from the atmosphere, were not attributed to unidirectional changes in gap length.

Measurement data were fitted to the 2-parame-ter Weibull distribution. Alternative distributions, i.e., the Gaussian and the 3-parameter Weibull distribution, were also investigated. However, the Gaussian distribution did not fit the data convinc-ingly, while the 3-parameter Weibull distribution, which is much more difficult to implement, did not yield significantly better fits than the 2-param-eter Weibull distribution. The scale parameter a (63.2% probability percentile), and the 10th per-centile, B10, with their 95% confidence intervals, are shown in the figures next. B10 is reported since, for design purposes, it is better to compare oils at low unreliability levels (Wang et al., 2011). The Weibull shape parameter b is not reported, since an indirect measure of data dispersion can be obtained from the relationship between a and B10, i.e., the closer a and B(10), the higher b.

PDIV tests are not at present completely specified in the relevant standards (IEC 61294, 1993). The existing specifications should be reviewed considering that: a) new detector types have become available and b) tests in the labora-tory can be carried out with much greater sensitivities than tests in the field. As an example, IEC 61294 (IEC 61294, 1993) dating back to 1993, specifies that PDIV is attained when the PD magnitude exceeds 100 pC while raising the voltage at a rate of 1 kV/s. This prescription is reasonable in the field, but seems rather conservative in the laboratory, where sensitivity can be much bet-ter than 100 pC. Indeed, Wang and coworkers (Wang et al., 2011) found that (IEC 61294, 1993) leads to PDIV values which are much larger than those obtained using more accurate procedures, e.g., better sensitivity, lower rate of voltage increase.

Considering the above, the PDIV measurements reported here were made following a procedure which departs significantly from that specified in (IEC 61294, 1993). PDs were detected using a commercial UWB (40 MHz) detec-tor with the capability of displaying PD pulse waveforms. PDs were coupled through a 50 resistor in series with the test sample and a 100 pF capacitor. The sensitivity of the detection circuit was better than 5 pC. The following proce-dure was used to measure PDIV:

1. Increase the voltage at 1 kV/min till PD inception (a clear PD pattern or a recognizable PD pulse should be recorded).

2. Reduce the voltage to extinguish PD activity, i.e., to the partial discharge extinction voltage (PDEV).

3. Wait 5 minutes at the PDEV to allow positive and negative ions remaining after the previous PD activity to recombine.

4. Start increasing the voltage from 2kV below the PDEV in steps of 100 V or 250 V (depending on the gap size), waiting 300 s at each step.

5. Record PD pulses and patterns during each voltage step.

6. While testing at the next voltage level, check for the presence of PD pulses in the record for the previous voltage level (corona PD can occur but is extremely rare).

7. If PD pulses are found, stop the test and record the PDIV.

In all cases, ten PDIV measurements were carried out at each test gap. The results presented below show that the variance of the experimental data is low, suggesting that the procedure minimizes measurement randomness.

a. Corona in oil

A hermetic Teflon test cell equipped with a micrometric adjustment device was used to measure PDIV at gap lengths of 5, 10, 20 and 40 mm gaps, with point-to-plane geometry electrodes immersed in MO or EO. The high voltage electrodes of the test cell were tungsten needles 0.5 mm in diameter and 5 mm long, supplied by Fine Science Tools Inc. The tip radius was less than 5µm.

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b. Creeping discharges

The test setup consisted of a point/plane electrode configuration laid on a board sheet. The vessel was insulated from the ground to minimize the effect of neighboring objects at ground potential. In order to control exactly the dis-tance between the tip and the ground electrode, and be able to change the contact point between tip and board if burning marks appeared, a movable sample holder was constructed. The adjustable arm of the HV electrode was positioned in such a way that the needle was at an angle of 30° with respect to the horizontal plane (pressboard sheet). In order to maintain the same contact forces between the needle and the pressboard in all experiments, the body of the HV electrode was hinged to the frame of the test cell. In this way, the weight of the electrode became the contact force and was therefore constant. The LV electrode was moved to obtain the required test gaps (5, 10, 20 and 40 mm). Between tests the pressboard was moved in the transverse direction in order to minimize surface damage (tracking burns). However, no tracking damage was observed during the short time required to complete the tests.

A note on needle electrodes

As stated above, the needle electrodes were tungsten steel needles supplied by Fine Science Tools Inc. The field at the needle tip is given by

Etip ~ V•

ln (4 • + 1) • r/rd2

Figure 1. Statistics of partial discharge inception voltage (PDIVs) of EO and MO measured at different gap lengths and using point-plane electrodes.

Where r is the tip radius, d is the gap length, and V is the applied voltage (Mason, 1955). As the current associated with PD activity can blunt the needle tip, a 1 k resistor was inserted in series with the tip. The tips were regularly inspected using an optical microscope, and the needles were replaced if signs of degradation were observed. In addition, the accumulated data were examined for evidence of trends, possibly due to electrode wear after every ten PDIV measurements.

Inspection of needles from different production batches showed that the variation in tip radius was small within the same batch, but significant-ly larger between batches. So, in order to achieve stable and consistent results, only comparative tests should be carried out, using needles from the same production batch.

Experimental results

Corona in oil

Corona in oil tests showed that EO has larger PDIVs than MO (figure 1). The confidence inter-vals (confidence g=95%) show that the EO data are characterized by a larger variance than the MO data.

Creeping discharges

PDIV a and B10 and their confidence intervals (g=95%) are presented in figure 2. In this case the EO outperformed MO for short gaps, but not for longer gaps. The variance of the data is small for both oils.

Figure 3 shows a comparison of the PDIV results for corona and creepage discharges.

Discussion

As stated above, the PDIVs of EO are higher than those of MO under corona and creeping discharg-es. In order to explain this observation, it is in-structive to focus on inception fields, rather than inception voltages, since the former provides more insight into the inherent insulating properties of the oils and the board/oil interfaces. The expres-sion for the electric field at the needle tip (1) was

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Figure 2. Statistics of creeping partial discharge inception voltage (PDIV) for EO and MO measured at different gap lengths, and using point (needle)-pla-ne electrodes with the needles lying on a board sheet.

Figure 3. PDIVs for MO and EO measured for corona PD (without board) and for creepage PD (with board).

derived under reasonable assumptions, e.g., needle assumed to be a perfectly conducting hyperbo-loid, space charge effects neglected (Mason, 1955). However, it is not applicable when the needle is laid on a board sheet. We therefore carried out FEM simulations using COMSOL Multiphysics. In order to make the problem tractable, the radius of the needle tip was taken as 5 mm, and the elec-trical properties of the materials shown in table 1 were adopted. These properties were measured in the laboratory and compared with some relevant references (Schultz and Küchler, 1998). Charge injection from the needle tip into the oil was not included in the simulations.

The calculated PD inception fields under corona discharge are shown in table 2. Since the permit-tivity of the oil does not influence the solution, the fields obtained by applying 1 V are the same for MO and EO. It follows that the relationship be-tween the measured PDIVs for MO and EO will be the same as the relationship between the corre-sponding calculated PD inception fields. Thus EO performs better than MO at all gap lengths. This result might be explained in terms of the difference between the ionization energies of the chemical species formed in the two oils. However, the distri-bution of chemical species and their ionization en-ergies are not known precisely. Another factor that should be taken into account is the larger electri-cal conductivity of EO with respect to MO. Since space charge injected from the needle tip into the oil during the negative half-cycle of the supply volt-age may have played an important role in PD in-ception, it is possible that the greater conductivity of the EO prevented the buildup of space charge, thus reducing the field at the needle tip when the tip voltage became positive.

The results of similar simulations with the board present are presented in table 3. It will be seen that the electric fields for 1 kV applied are larger than those obtained without the board. The MO elec-tric fields are about twice those of the EO, which partly explains why EO tends to have higher PDIV values. The difference can be attributed to the fact that EO and the board have similar permittivities. The inception field values are higher than those obtained in the absence of pressboard, showing that the presence of the board increases the voltage withstand capability of both oils.

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MaterialRelative

permittivityPermittivity mismatch

Conductivity (S/m)

MO 2.259%

3.8×10-13MO impregnated board 3.5 12.4×10-15EO 3.2

28%3.3×10-12

EO impregnated board 4.1 17.1×10-15

Table 1. Material properties for fem simulations.

Gap (mm) Electric Field(kV/mm) at 1kV

PDIV (kV) Inception field (kV/mm)

MO and EO MO EO MO EO

5 51.9 8.6 9.2 450 480

10 44.5 9.4 11.0 420 490

20 36.9 11.0 12.8 400 470

40 29.4 14.2 16.7 420 490

Table 2. Estimated partial discharge inception fields - without board.

Gap (mm) Electric Field(kV/mm) at 1kV

PDIV (kV) Inception field (kV/mm)

MO EO MO EO MO EO

5 154.4 82.4 4.4 12.3 680 1010

10 134.0 71.4 9.9 13.7 1330 980

20 113.2 60.4 14.6 16.4 1650 990

40 90.9 48.7 20.0 19.4 1820 950

Table 3. Estimated partial discharge inception fields - with board.

However, the results are somehow contradictory, since the inception field for MO increases by a fac-tor of almost three in going from short to long gaps, while the EO inception field is almost constant. Considering the inception fields and their confi-dence intervals, one might ask whether the changes shown in Tables 2 and 3 in going from short to long gaps are significant. Figure 4 shows that the incep-tion fields are approximately constant, except for the case of MO under creepage PD.

The observation that corona inception fields, i.e., measured using point-plane electrodes and with-out board, are generally lower than those measured when the needle is placed in contact with press-board could be explained in terms of the structure of the pressboard/oil interface. It is assumed that the transition between oil and pressboard occurs through a mixture of pressboard fibers projecting into the oil. Mitchinson et al (Mitchinson et al., 2010) presented a microscope image of the press-board/oil interface, confirming the presence of the board fibers protruding into the oil. These authors suggested that the interface could be more resis-tant to PD inception than pure oil, due to Van der Waals forces which would prevent oil molecules directly in contact with the pressboard from drift-ing freely, thereby forming a zone within which a gradual transition from bound to free oil molecules occurs (no-slip layer).

In order to explain the difference between MO and EO inception fields as functions of gap length for creepage discharges, it is instructive to study the electric vector field near the needle tip. Figure 5 shows that, for a 5 mm gap, there are significant differences between the field vectors, but not for a 40 mm gap. In particular, at 5 mm the field in EO tends to be parallel to or directed into the board, whereas in MO the field tends to be directed from the needle into the oil. At 40 mm the electric field tends to be parallel to or directed into the board in both oils. This difference suggests different PD inception mechanisms between EO and MO at 5 mm in at short gaps, e.g., in EO PDs might be ini-tiated at weak points of the interface, but in MO in the oil. At 40 mm PDs might be initiated at weak points of the interface in both oils. This suggestion is consistent with the PD pattern and PD pulse sequences at short gaps reported in fure 6; MO shows a pattern typical of bubble discharges with PD pulse bursts (Pompili et al., 2008; Pompili et

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Figure 4. Electric field at inception for MO and EO measu-red for corona PD (without board) and for creepage PD (wi-th board). Confidence intervals with 95% probability are also shown).

Figure 5. Electric field distribution near the needle tip for MO (upper) and EO (lower).

Figure 6. PD pattern and discharge behavior close to PDIV for a 5 mm gap.

al., 2009), whereas EO shows a pattern typical of surface discharges (Cavallini et al., 2010).

It should be noted that, because of the structure of the interface (board fibers separated by oil), and the smaller permittivity mismatch between the board fibers and EO compared to that between the board fibers and MO, the electric field in the EO will be smaller than the electric field in the MO. The observation that EO performs better than MO in corona inception measurements then leads to the

conclusion that, for creepage discharges, larger inception fields are to be ex-pected for EO. However, the experimental results show that MO performs better at long gaps. Any proposed explanation of this discrepancy must take into account the microscopic structure of the oil/board interface. In particular, it may be that the Van der Waals forces in the no-slip layer are stronger within the MO/board interface than within the EO/board interface.

Our present description of the oil/pressboard interactions is still incomplete. Some authors (Mitchinson et al., 2010; Dai et al., 2010) have emphasized that initiation of creeping PD on a fully dried pressboard surface is very unlike-ly; wet pressboard sheet usually has a lower PDIV. Thus a reduction of PDIV

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from 38 kV to 28 kV was observed when the rela-tive humidity of pressboard was increased from less than 0.5% to 2.5%, for a gap of 40 mm (Dai et al., 2010). In (Zainuddin et al., 2012) it is speculated that the leakage current flowing in pressboard can (a) heat the oil in the pores, causing gassing and, eventually, inception of PD in the pores, and (b) give rise to phenomena similar to dry band arcing when PD within the pores is sufficiently energet-ic to dry the pressboard further and release gases. Since ester oils are highly hygroscopic they contrib-ute to drying of pressboard during the impregna-tion phase and beyond, thereby preventing high current densities in the board. These effects were confirmed experimentally by measuring moisture content of the oil at the beginning and end of the PDIV tests for corona (without board) and creep-age (with board) discharges. A period of approx-imately 24 hr was required to complete measure-ments at one gap length for each oil. These data are presented in figure 7. It will be seen that the mois-ture content of both oils did not increase apprecia-bly for tests performed without pressboard sheets (the observed increase is due to diffusion from the atmosphere into the oil). However, the increase is much more marked for EO for tests performed using a pressboard sheet. These observations show that moisture extraction continues after drying and impregnation, and can help to ensure reliable long-term behavior of the insulation.

Conclusions

EO has proved also to be a viable substitute for MO from the point of view of PDIV at least when new, dried and highly purified fluids are used for the comparison. The smaller permittivity mismatch between pressboard and EO, compared to that be-tween pressboard and MO, leads to a more uni-form field distribution at the oil/pressboard inter-face. We have observed that EO has higher PDIVs than MO for corona and creepage discharges. However, our understanding of the oil/pressboard interface is incomplete. There is a lack of stan-dardization in PDIV measurements, particularly in the case of creepage discharges. Since industry is striving to provide new insulating oils for use at increased transmission voltages, improving electri-cal testing techniques and the understanding of the oil/pressboard interface is important.

Figure 7. Oil humidity before and after PDIV tests, without and with board.

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Acknowledgments

Carlos Azcarraga gratefully acknowledges the In-stituto de Investigaciones Eléctricas for study leave and the Mexican Science Council (CONACYT) for financial support of his graduate studies.

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CARLOS GUSTAVO AZCÁRRAGA RAMOS[[email protected]]

PhD in Electrical Engineering from the University of Bologna (2011- 2014). MSc degree in Elec-trical Engineering at the Mexican National Polytechnic Institute (2002-2004, Cum Laude). BSc degree in Electromechanical Engineering from the Zacatepec Institute of Technology (1991-1995, honors). After pursuing the AIT program in 1997, Carlos Azcárraga was signed by the Electrical Equipment Department of the IIE to work in the development of state of the art diagnostic tech-niques for power transformers and substation equipment. He has represented the IIE in several technical forums, including Cigré SC A3 High Voltage Equipment. He is an author and coauthor of more than 30 technical papers related to high voltage insulation assessment. He has been a Professor at the Universidad Cuauhnahuac, Universidad Morelos and at the Postgraduate Center of the IIE. His current research interests include diagnostic techniques of high voltage systems, electromagnetic transients, partial discharge physics and numerical electromagnetics.

ANDREA CAVALLINI

Andrea Cavallini received the MSc and PhD degrees in electrical engineering from the University of Bologna. From 1995 to 1998 he was a researcher at Ferrara University. Since 1998 he has been associate professor at the University of Bologna. His research work relates to endurance modeling and diagnostics of insulation systems. He is interested in the physics of partial discharge (PD) phenomena, e.g., physical/stochastic modeling of PD phenomena, the effects of the waveshape and frequency of the applied voltage, and the position of defects, on PD phenomena. He is also involved in more applied research concerning PD identification in different types of apparatus, e.g., cables, rotating machines, transformers, GIS with different types of insulation, e.g., poly-meric, epoxy/mica, paper/oil, gas. From 2004 to 2011 he was the Italian representative in the SC D1 (Materials and Emerging Technologies) of Cigrè, convener of Cigrè WG D1.43 (Rotating machine insulation voltage endurance under fast, repetitive voltage transients) and Administrative committee member of the IEEE Dielectric and Electric Insulation Society (DEIS). He is currently chair of the IEEE DEIS Educational Committee.

UGO PIOVAN

Ugo Piovan is the director and owner of Trafoexperts GmbH, Switzerland, a consulting company which he founded in 2011. He was previously Technical Leader of Weidmann Electrical AG, and prior to that, Technical Manager of TAMINI Transformers. He is an expert in ultra high voltage (up to 1200 kV AC) and ultra high current (up to 120 kA) transformers. He is active in interna-tional bodies such as CIGRE and IEC, with a particular interest in standards for converter trans-formers (both industrial and HVDC). In 2012 he was honored with the IEC 1906 award for his contribution to the development of IEC standards on converter transformers. Ugo holds a MSc in Electrical Power Engineering from the Polytechnic of Milan.

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