DESARROLLO DE UN SISTEMA PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y …

DESARROLLO DE UN SISTEMA PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE DESCARGAS PARCIALES GENERADAS EN LABORATORIO

JAIME ANTONIO VANEGAS IRIARTE

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI

2016

DESARROLLO DE UN SISTEMA PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE DESCARGAS

PARCIALES GENERADAS EN LABORATORIO

JAIME ANTONIO VANEGAS IRIARTE

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al grado de Magíster en Ingeniería con énfasis en Ingeniería Eléctrica

Director Ing. JOSÉ LUIS OSLINGER GUTIÉRREZ Ph D.

Asesor

Ing. FABIO ANDRÉS MUÑOZ MUÑOZ

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA SANTIAGO DE CALI

2016

A mi madre, Alicia

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RESUMEN En la actualidad la medición de Descargas Parciales (DP) constituye una herramienta eficaz para el diagnóstico de fallos de aislamiento en equipos eléctricos. A través de los años se han desarrollado y mejorado las técnicas, los equipos y los sistemas de medición de DP. Pero, la medición de DP sigue siendo un reto, pues se enfrentan dificultades como: las complejas características y propagación de las señales de DP, la eliminación del ruido, la calibración y las técnicas de procesamiento para reconocer y clasificar patrones de DP. En este trabajo, se implementó un sistema de medición y adquisición de DP (off-line), que mide en el rango de alta frecuencia (sistema no convencional), donde los pulsos son detectados por un capacitor de acoplamiento de alta tensión y adquiridos por una tarjeta de adquisición de datos (NI 5133). Las señales de DP, fueron obtenidas mediante la utilización de electrodos para generar descargas corona, superficiales e internas, se presenta también la simulación electroestática en Método de Elementos Finitos de los modelos de electrodos diseñados. Para el análisis de la información, se desarrolló una aplicación software en LabVIEW, que implementa en combinación un umbral de voltaje (threshold) y un tiempo de adquisición del pulso para la obtención del valor pico y ángulo de fase de los pulsos de DP, estos parámetros son volcados en una matriz de 256x256 que permite obtener principalmente el diagrama de fase resuelta y el gráfico de análisis de altura de pulsos. Además, el programa permite visualizar las señales medidas en un osciloscopio virtual en tiempo real, realiza el conteo del número de pulsos detectados, calcula los parámetros 𝛼 y 𝛽 de la distribución de Weibull, los parámetros 𝑄𝑚 y NQN, las magnitudes máxima, mínima y promedio (𝑄𝑚𝑎𝑥 , 𝑄𝑚𝑖𝑛, 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛) en volts y obtener la forma de onda de un pulso de DP individual y su espectro en frecuencia.

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CONTENIDO

RESUMEN ........................................................................................................................................................ 4

ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................................................... 7

ÍNDICE DE TABLAS ...................................................................................................................................... 9

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................................... 10

OBJETIVOS .................................................................................................................................................. 11

CAPÍTULO 1 DESCARGAS PARCIALES ................................................................................................ 12

1.1 ORIGEN Y EVOLUCIÓN .............................................................................................. 12

1.2 CARACTERISTICAS DE LOS PULSOS DE DESCARGA PARCIAL ........................................ 14

1.3 TIPOS DE DESCARGAS PARCIALES ............................................................................. 16 1.3.1 DESCARGAS PARCIALES INTERNAS ............................................................................................. 16 1.3.2 DESCARGAS CORONA ................................................................................................................. 16 1.3.3 DESCARGAS PARCIALES SUPERFICIALES ..................................................................................... 17

1.4 MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES ...................................................................... 17 1.4.1 MÉTODOS DE DETECCIÓN .......................................................................................................... 17

1.4.1.1 Sensado de pulsos eléctricos: capacitores de acoplamiento y transformadores de corriente de alta frecuencia ................................................................................................................ 18

1.4.2 MÉTODOS DE MEDIDA CONVENCIONAL Y NO CONVENCIONAL ................................................ 19 1.4.3 CIRCUITO DE MEDIDA ................................................................................................................. 21 1.4.4 CARGA APARENTE Y CALIBRACIÓN ............................................................................................. 22

1.5 ANÁLISIS DE DESCARGAS PARCIALES ........................................................................ 24 1.5.1 ANÁLISIS DE ALTURA DE PULSOS ................................................................................................ 24

1.5.1.1 Magnitud pico de descargas parciales 𝑄𝑚 y cantidad numérica normalizada NQN ......... 25 1.5.2 DIAGRAMA DE FASE RESUELTA .................................................................................................. 26 1.5.3 DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL ........................................................................................................ 28

1.6 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 30

1.7 REFERENCIAS ........................................................................................................... 31

CAPÍTULO 2 DISPOSITIVOS PARA GENERAR SEÑALES ARTIFÍCIALES DE DESCARGAS PARCIALES .................................................................................................................................................. 34

2.1 ANÁLISIS ELECTROSTÁTICO EN MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS ............................. 35 2.1.1 MODELADO................................................................................................................................. 35

2.1.1.1 Descripción de la geometría .............................................................................................. 35 2.1.1.2 Materiales .......................................................................................................................... 36 2.1.1.3 Mallaje ............................................................................................................................... 37 2.1.1.4 Condiciones de frontera .................................................................................................... 37

2.1.2 RESULTADOS ............................................................................................................................... 37 2.1.2.1 Modelo Punta-semiesfera ................................................................................................. 37 2.1.2.2 Modelo Barra-plano ........................................................................................................... 40 2.1.2.3 Modelo Planos paralelos.................................................................................................... 41

2.2 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 43

2.3 REFERENCIAS ........................................................................................................... 44

CAPÍTULO 3 SISTEMA DE MEDICIÓN Y ADQUISICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES IMPLEMENTADO ....................................................................................................................................... 46

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3.1 CIRCUITO DE MEDICIÓN ........................................................................................... 46

3.2 MÓDULO DE ADQUISICIÓN ...................................................................................... 48

3.3 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 49

3.4 REFERENCIAS ........................................................................................................... 50

CAPÍTULO 4 APLICACIÓN SOFTWARE PARA EL ANÁLISIS DE DESCARGAS PARCIALES .. 51

4.1 ADQUISICIÓN........................................................................................................... 53

4.2 OBTENCIÓN DEL VOLTAJE PICO Y EL ÁNGULO DE FASE .............................................. 55 4.2.1 UMBRAL Y TIEMPO DE ADQUISICIÓN DEL PULSO ...................................................................... 57

4.3 FORMA DE ONDA DE UN PULSO, PARÁMETROS DEL PULSO Y ESPECTRO EN FRECUENCIA ....................................................................................................................... 59

4.4 DIAGRAMA DE FASE RESUELTA ................................................................................. 60

4.5 CONTEO DE PULSOS ................................................................................................. 63

4.6 ANÁLISIS DE ALTURA DE PULSOS .............................................................................. 63 4.6.1 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS 𝑄𝑚 Y NQN ............................................................................... 64

4.7 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS 𝜶 Y 𝜷 DE LA DISTRIBUCIÓN WEIBULL ....................... 64

4.8 OBTENCIÓN DE LAS MAGNITUDES DE LOS PULSOS DE DP .......................................... 65

4.9 INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO .............................................................................. 66

4.10 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 66

4.11 REFERENCIAS ........................................................................................................... 67

CAPÍTULO 5 PRUEBAS EN LABORATORIO ....................................................................................... 68

5.1 ÁSPECTOS RELEVANTES DE LA MEDICIÓN ................................................................. 68

5.2 MEDICIONES PARA CADA OBJETO DE ENSAYO .......................................................... 71 5.2.1 DIAGRAMAS DE FASE RESUELTA Y ANÁLISIS DE ALTURA DE PULSOS......................................... 71 5.2.2 COMPARACIÓN DEL PARÁMETRO DE FORMA 𝛽 DE LA DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL ................ 76

5.3 COMPARACIÓN DE LAS MEDICIONES CON EQUIPOS COMERCIALES ........................... 77

5.4 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 84

5.5 REFERENCIAS ........................................................................................................... 85

CONCLUSIONES GENERALES ................................................................................................................. 86

TRABAJOS FUTUROS ............................................................................................................................... 87

AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................................. 88

ANEXOS

ANEXO A PLANOS ELECTRODOS ......................................................................................................... 89

ANEXO B CARACTERÍSTICAS TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS .................................. 93

ANEXO C CORRECCIÓN DEL EFECTO DE LA IMPEDANCIA DE ENTRADA.............................. 95

ANEXO D MANUAL DE USUARIO DE LA APLICACIÓN MAPD ..................................................... 97

ANEXO E MEDICIONES CON EL EQUIPO PD SIMULATOR .......................................................... 106

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Diagrama esquemático del evento de Descarga Parcial [5] ............................................................ 13 Figura 1.2 Voltaje y corriente en una cavidad donde se presentan descargas parciales [9] ............................ 14 Figura 1.3 Principales parámetros de un pulso de descarga parcial [12] ......................................................... 14 Figura 1.4 Pulsos de corriente de DP negativas en cavidades de un cable XPLE a) al inicio y b) 30min después .......................................................................................................................................................................... 15 Figura 1.5 Espectro en frecuencia de dos pulsos de diferente tiempo de subida (los anchos de los pulsos son de dos veces ts) ................................................................................................................................................ 15 Figura 1.6 Curva de Paschen [21] ..................................................................................................................... 16 Figura 1.7 Delaminación en barras de máquinas rotativas. [20] ...................................................................... 17 Figura 1.8 Barras con presencia de descargas corona [20] .............................................................................. 17 Figura 1.9 Respuesta en frecuencia de capacitores de acoplamiento de la marca HVPD (1 MHz a 50 MHz) .. 19 Figura 1.10 Respuesta en frecuencia de los sistemas de medida de descarga parcial [19] ............................. 20 Figura 1.11 Respuesta ante un pulso DP de un equipo de a) Banda ancha y b) Banda estrecha (Pulso superior: entrada, Pulso inferior: salida, base de tiempo 4µs/div) [16] .......................................................................... 21 Figura 1.12 Circuitos de medición de descargas parciales a) directo y b) indirecto [16] ................................. 22 Figura 1.13 Circuito para el proceso de calibración ......................................................................................... 23 Figura 1.14 Gráfico PHA en un turbogenerador de 10.5MW. Resultados del equipo PDTrac de Iris Power [31] .......................................................................................................................................................................... 24 Figura 1.15 Predominancia de los pulsos de DP en el gráfico de altura de pulsos. a) Predominancia positiva, b) Predominancia negativa y c) No predominancia. [20] ..................................................................................... 25 Figura 1.16 Variables a) 𝑄𝑚 y b) NQN [20] ...................................................................................................... 26 Figura 1.17 Obtención del diagrama de fase resuelta [33] .............................................................................. 26 Figura 1.18 Diagrama de fase resuelta típico para descargas parciales a) Corona, b) Superficiales e c) Internas [35] ................................................................................................................................................................... 27 Figura 1.19 Diagrama de fase resuelta para el devanado de un generador eléctrico con daño en las cabezas de bobina. Resultado del equipo MICAMAXX plus de PDTech. [20] ..................................................................... 28 Figura 1.20 Comportamiento en el tiempo de los parámetros 𝛼 y 𝛽 para el envejecimiento de una barra estatorica [39] .................................................................................................................................................. 29 Figura 1.21 Comparación del parámetro 𝛽 obtenido para diferentes tipos de DP (generadas con electrodos). .......................................................................................................................................................................... 30 Figura 1.22 Gráficos de a) 𝛼 y b) 𝛽 para diferentes tipos de DP. [50] .............................................................. 30 Figura 2.1 Defectos físicos simulados con modelos simples de dos electrodos a) cavidad plana en dieléctrico sólido, ............................................................................................................................................................... 34 Figura 2.2 Modelo Punta-Semiesfera para descargas corona .......................................................................... 35 Figura 2.3 Modelo Barra-Plano para descargas parciales superficiales ........................................................... 36 Figura 2.4 Modelo Planos paralelos para descargas parciales internas ........................................................... 36 Figura 2.5 Mallaje de los modelos a) Punta–Semiesfera b) Barra-Plano y c) Planos paralelos ........................ 37 Figura 2.6 Distribución de la intensidad de campo eléctrico en el modelo Punta-Semiesfera ........................ 38 Figura 2.7 Ruptura del aire alrededor de la punta sobre una distancia d ........................................................ 38 Figura 2.8 Intensidad de campo eléctrico a lo largo del eje desde el electrodo punta .................................... 39 Figura 2.9 Distribución de la intensidad de campo eléctrico en el modelo Barra-Plano .................................. 40 Figura 2.10 Distribución de la intensidad de campo eléctrico en el modelo Planos Paralelos ........................ 41 Figura 2.11 Comparación de la distribución de campo eléctrico al tener el electrodo disco con (a) borde curvo y (b) borde en punta ......................................................................................................................................... 42 Figura 2.12 Comparación de la distribución de campo eléctrico al tener una inclusión (a) cilíndrica y (b) esférica .......................................................................................................................................................................... 43 Figura 3.1 Circuito de medición ........................................................................................................................ 47 Figura 3.2 Montaje del circuito de medición en el laboratorio ........................................................................ 47 Figura 3.3 Capacitor de acoplamiento y cuadripolo ......................................................................................... 47 Figura 3.4 Diagrama esquemático del cuadripolo [4]....................................................................................... 47 Figura 3.5 Respuesta en frecuencia de capacitores de acoplamiento (10kHz a 5MHz) ................................... 48

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Figura 3.6 Tarjeta de adquisición de datos NI 5133 ......................................................................................... 49 Figura 3.7 Respuesta en frecuencia de la tarjeta de adquisición NI 5133 [22] ................................................ 49 Figura 4.1 Diagrama general del funcionamiento de la aplicación .................................................................. 52 Figura 4.2 Diagrama del funcionamiento de la aplicación ............................................................................... 52 Figura 4.3 Diagrama de bloques para la adquisición y visualización de las señales ......................................... 53 Figura 4.4 Representación de la adquisición y procesamiento de las señales por paquetes. Señal azul (pulsos de DP) y señal roja (señal de sincronismo) ....................................................................................................... 54 Figura 4.5 Detección del voltaje pico y su correspondiente índice para un pulso de DP ................................. 55 Figura 4.6 Diagrama de bloques para la detección del voltaje pico y su índice ............................................... 55 Figura 4.7 a) Señal de descargas parciales original y b) Señal elevada al cuadrado ......................................... 56 Figura 4.8 Determinación del ángulo de fase de un pulso de DP ..................................................................... 57 Figura 4.9 Umbral (threshold) y tiempo de adquisición del pulso .................................................................... 58 Figura 4.10 Diagrama de bloques para la implementación de los parámetros de umbral y tiempo de adquisición del pulso ........................................................................................................................................................... 58 Figura 4.11 Funcionamiento de los parámetros de umbral y tiempo de adquisición del pulso. ..................... 59 Figura 4.12 Matriz utilizada para la obtención del diagrama de fase resuelta ................................................ 60 Figura 4.13 Utilización de la matriz para el conteo de pulsos .......................................................................... 62 Figura 4.14 Diagrama de bloques para los gráficos del diagrama de fase resuelta ......................................... 62 Figura 4.15 Diagrama de fase resuelta obtenidos por el software MAPD a) 2D y b) 3D. Las mediciones corresponden a pruebas con el equipo PD Simulator (véase Anexo D). .......................................................... 63 Figura 4.16 Gráfico de altura de pulsos obtenido por el software MAPD. El gráfico corresponde a los resultados de la figura 4.15. ............................................................................................................................................... 64 Figura 4.17 Diagrama de bloques para el cálculo de los parámetros de Weibull ............................................ 65 Figura 5.1 Pulso de DP detectado a 100MS/s: a) Forma de onda y b) Espectro en frecuencia ........................ 69 Figura 5.2 Pulso de DP detectado por el equipo PDCheck: a) Forma de onda y b) Espectro en frecuencia .... 69 Figura 5.3 Pulso de DP detectado a 20MS/s: a) Forma de onda y b) Espectro en frecuencia .......................... 70 Figura 5.4 Nivel de ruido .................................................................................................................................. 70 Figura 5.5 Electrodos punta-semiesfera: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos .............................................. 72 Figura 5.6 Electrodos barra-plano: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos ....................................................... 72 Figura 5.7 Electrodos planos paralelos: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos ................................................ 72 Figura 5.8 Barra: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos ................................................................................... 73 Figura 5.9 Parámetro 𝑛 ..................................................................................................................................... 75 Figura 5.10 Parámetro 𝑁𝑤 ............................................................................................................................... 75 Figura 5.11 Parámetro 𝑁𝑄𝑁 ............................................................................................................................ 75 Figura 5.12 Parámetro 𝑄𝑚 ............................................................................................................................... 75 Figura 5.13 Parámetro 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛 ........................................................................................................................ 75 Figura 5.14 Parámetro 𝛼 .................................................................................................................................. 75 Figura 5.15 Comparación de la magnitud del parámetro 𝛽 ............................................................................. 76 Figura 5.16 Gráfico de (𝛽+)/(𝛽−) Vs 𝛽 + ...................................................................................................... 76 Figura 5.17 Diagrama de fase resuelta electrodos punta-semiesfera (DP corona): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 .................................................................................................................................................................. 78 Figura 5.18 Gráfico de Altura de Pulsos electrodos punta-semiesfera (DP corona): a) MAPD y b) TMS-6141 78 Figura 5.19 Diagrama de fase resuelta electrodos barra-plano (DP superficiales): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 y d) Medición en el Osciloscopio escala 2ms/div, 1V/div (señal DP) ....................................................... 79 Figura 5.20 Gráfico de Altura de Pulsos electrodos barra-plano (DP superficiales): a) MAPD y b) TMS-6141 79 Figura 5.21 Diagrama de fase resuelta electrodos planos paralelos (DP internas): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 y d) Medición en el Osciloscopio escala 2ms/div, 100mV/div (señal DP) ............................................... 80 Figura 5.22 Gráfico de Altura de Pulsos electrodos planos paralelos (DP internas): a) MAPD y b) TMS-6141 80 Figura 5.23 Diagrama de fase resuelta para la bobina (DP internas): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 y d) Medición en el Osciloscopio escala 2ms/div, 200mV/div (señal DP) ............................................................... 81 Figura 5.24 Gráfico de Altura de Pulsos para la barra (DP internas): a) MAPD y b) TMS-6141 ........................ 81 Figura 5.25 Comparación entre los equipos de medición de la magnitud del parámetro n ............................ 83 Figura 5.26 Comparación entre los equipos de medición de la magnitud del parámetro NQN ...................... 83 Figura 5.27 Error relativo con el equipo PDCheck del parámetro n ................................................................. 83

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Figura 5.28 Error relativo con el equipo TMS-6141 del parámetro n ............................................................... 83 Figura 5.29 Error relativo con el equipo PDCheck del parámetro 𝛽 ................................................................ 83 Figura 5.30 Error relativo con el equipo PDCheck del parámetro 𝛼................................................................. 83 Figura 5.31 Error relativo con el equipo PDCheck del parámetro 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛 ...................................................... 84 Figura 6.1 Interfaz gráfica de usuario Panel Principal .................................................................................... 101 Figura 6.2 Interfaz gráfica de usuario Panel Principal .................................................................................... 102 Figura 6.3 Interfaz gráfica de usuario Panel PRPD Pattern............................................................................. 103 Figura 6.4 Interfaz gráfica de usuario Panel Parameters and PHA ................................................................. 104 Figura 6.5 Interfaz gráfica de usuario Panel Help ........................................................................................... 105

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2-I Permitividades de los materiales utilizados en la simulación por MEF [28]–[31] ............................. 36 Tabla 2-II Características de la malla para cada modelo .................................................................................. 37 Tabla 2-III Intensidad de Campo eléctrico máxima con la variación de r, R y V ............................................... 40 Tabla 2-IV Intensidad del campo eléctrico con la variación de la tensión aplicada ......................................... 41 Tabla 2-V Intensidad del campo eléctrico promedio dentro de la inclusión .................................................... 42 Tabla 3-I Principales especificaciones de la tarjeta NI 5133 ............................................................................. 49 Tabla 5-I Tensión de ignición y tensión de prueba para cada objeto de ensayo .............................................. 70 Tabla 5-II Descripción de los parámetros medidos .......................................................................................... 71 Tabla 5-III Parámetros obtenidos para cada objeto de ensayo ........................................................................ 73 Tabla 5-IV Comparación de parámetros con el equipo PDCheck ..................................................................... 82 Tabla 5-V Parámetros obtenidos con el equipo TMS-6141 .............................................................................. 82

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INTRODUCCIÓN El aislamiento eléctrico es una de las fuentes más importantes de fallas inesperadas en los equipos eléctricos. Según una encuesta internacional realizada por el Prof. Sumereder de la Technische Universität Graz de Austria y publicada por el CIGRE y el IEEE, para una muestra de 1200 hidro-generadores, se encontró que el 56% de las fallas se debieron a la falla del sistema de aislamiento del devanado del inducido. En la actualidad la tendencia en el diseño y manufactura de equipos eléctricos de potencia es incrementar la capacidad y el tamaño de las unidades, lo que ha traído como requerimiento principal, un fuerte incremento en los niveles de confiabilidad. La tecnología actual para los aislamientos de alta tensión requiere de modernos procedimientos de prueba. En este aspecto, se está dando mayor importancia al desarrollo de herramientas para el mantenimiento predictivo. Por lo que no existe duda de que la medición y análisis de Descargas Parciales (DP) es de gran importancia debido a que este fenómeno puede considerarse como uno de los mejores indicadores de fallas incipientes de degradación del aislamiento, lo que proporciona una advertencia contra los fallos de aislamiento que permite a los propietarios de los equipos planear y adoptar acciones antes de que se produzca un fallo. A través de los años se han desarrollado y mejorado las técnicas, los equipos y los sistemas de medición de DP, pero la medición y análisis sigue siendo un reto. Los pulsos de DP presentan tiempos de subida muy breves, generando con ello espectros de frecuencias que alcanzan los MHz. La forma de la onda de DP varía considerablemente dependiendo de factores como el material dieléctrico, el objeto de prueba, el voltaje aplicado, la configuración de la medición, el tipo de DP (corona, interna o superficial), etc. Además, cuando el pulso se propaga por el objeto de prueba, desde la fuente de la DP hasta el punto de medición, sufre atenuaciones, reflexiones, resonancia y propagación en diferentes modos. La penetración de las tecnologías más actuales en el país es poca y en Colombia no existen equipos de tecnología nacional. Esto debido a que en líneas generales en Colombia existe un gran desconocimiento del tema y los costos de instalar estos sistemas son muy elevados para la economía Colombiana, falta una verdadera apropiación de la tecnología. En este trabajo de investigación se desarrolla un sistema prototipo que permite medir y analizar pulsos de DP generadas artificialmente en laboratorio (off-line). En el capítulo 1 se abarca la teoría de descargas parciales, en el capítulo 2 se muestran los modelos de electrodos utilizados para generar DP corona, interna y superficial, donde se realiza la simulación electroestática en Método de Elementos Finitos para conocer la distribución del campo eléctrico. En el capítulo 3 se describe el circuito de medición implementado y el módulo de adquisición utilizado, el cuál mide en alta frecuencia y utiliza un capacitor de alta tensión y una tarjeta de adquisición de datos. En el capítulo 4, se presenta el desarrollo de la aplicación software para el análisis de las DP, que permite principalmente la obtención del diagrama de fase resuelta y el gráfico de altura de pulsos (mediciones en volts) y finalmente en el capítulo 5 se realizan las pruebas de medición con los objetos de ensayo y se comparan los resultados con equipos comerciales para su validación.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un sistema prototipo de medición y análisis de pulsos eléctricos de descargas parciales generadas en laboratorio.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Caracterizar y parametrizar las señales eléctricas de descargas parciales en laboratorio.

Implementar un sistema de medición y adquisición de señales eléctricas originadas por las

descargas parciales.

Desarrollar una aplicación software que permita realizar la clasificación de pulsos de descargas

parciales (Corona, Interna y Superficial).

Validar el sistema prototipo en condiciones de laboratorio

Capítulo 1

Descargas Parciales 1 DESCARGAS PARCIALES El aislamiento eléctrico es una parte importante en todos los equipos eléctricos de alta tensión. El análisis de falla revela que las fallas de aislamiento son la causa raíz de más del 60% de los daños en los quipos de alta tensión [17]. Por lo tanto, es crucial asegurar que el aislamiento este en buena condición. La medición de Descargas Parciales (DP) ha recibido una aceptación global como una herramienta efectiva de diagnóstico, con la capacidad de evaluar y monitorear los sistemas de aislamiento para su integridad durante la fabricación y mientras esta en servicio. Por definición una descarga parcial es una descarga eléctrica localizada que cortocircuita sólo parcialmente el aislamiento entre conductores y que puede ser o no, adyacente a un conductor [1]. Las descargas parciales se producen cuando concentraciones locales de campo eléctrico en el interior de aislamientos de tipo sólido, líquido o gaseoso, o en la superficie de estos aislamientos, producen rápidos impulsos de corriente como consecuencia del desarrollo de avalanchas electrónicas e iónicas. Las DP pueden ser una medida efectiva del estrés eléctrico local al que está sometido un material aislante, y su medida puede ser utilizada como una variable del estado del sistema de aislamiento. Las DP están a menudo acompañadas de fenómenos secundarios como emisión de radiación, calor, sobrepresiones y reacciones químicas, que degradan rápidamente los aislamientos poliméricos. La magnitud y duración de las DP depende de las dimensiones de la inclusión, temperatura, presión de la cavidad, tensión eléctrica aplicada, retardo en la aparición del electrón libre y las condiciones y características del aislamiento. Estas variables hacen que el fenómeno de las DP sea de carácter estocástico [2].

1.1 ORIGEN Y EVOLUCIÓN

Para asegurar la aparición de descargas parciales en una cavidad, el campo eléctrico en la cavidad debe exceder la intensidad eléctrica de ruptura del gas y debe haber electrones libres que inicien la avalancha de electrones [3], [4]. Dado esto, el electrón se acelerará a través de la cavidad, interactuando con moléculas neutras de gas. Si la energía del electrón acelerado es suficientemente alta, ionizará cualquier molécula de gas que choque con éste, resultando en la liberación de un nuevo electrón, un ion positivo, calor y otros subproductos en la cavidad. Este proceso es llamado ionización. El reciente electrón libre generado colisiona con otras moléculas de gas en la cavidad y

Descargas Parciales

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este proceso se repite. Más electrones libres son generados, resultando en un incremento en el número de electrones. La repetición de la ionización del gas es llamada avalancha de electrones, haciendo que las propiedades del gas pasen de una condición no conductiva a una conductiva durante un período de tiempo muy corto. [5] El campo eléctrico dentro de la cavidad es [5]:

sOccav EEfE (1.1)

Donde 𝐸𝑜 es el campo eléctrico en el material dieléctrico sólido, 𝑓𝑐 es el factor de modificación del campo eléctrico que depende de la geometría de la cavidad y de la permitividad del material y 𝐸𝑠 es el campo eléctrico opuesto debido a la acumulación de carga en la superficie de la cavidad como lo muestra la Figura 1.1.

Figura 1.1 Diagrama esquemático del evento de Descarga Parcial [5]

De esta manera en las imperfecciones de los aislantes de los equipos eléctricos sometidos a una tensión 𝑉𝑎 sinusoidal, pueden aparecer DP a partir de un nivel de tensión determinado denominado tensión de ignición, 𝑉𝑖 (ver Figura 1.2). Cuando la tensión disminuye por debajo de un valor denominado tensión de extinción 𝑉𝑒, desaparecen las condiciones para que sigan apareciendo descargas. En el ciclo positivo, una vez se ha extinguido la DP, la tensión en la imperfección, 𝑉𝑐, empieza nuevamente a subir mientras la tensión de alimentación aplicada al sistema sigue aumentando. El proceso se repite mientras haya suficiente pendiente en la onda de tensión para superar los niveles de ignición. En los ciclos negativos de tensión el mecanismo es análogo, originando pulsos de diferente polaridad [6]. En tensión alterna, la actividad de DP, tiene una recurrencia en las zonas de mayor pendiente de la onda de tensión y en torno a los máximos o mínimos dependiendo del tipo de DP. La aparición del electrón libre que provoca la avalancha de electrones puede ser debido a la radiación cósmica o a la radiación de fondo [7]. El tiempo requerido para que aparezca el electrón libre, una vez alcanzada la intensidad eléctrica de ruptura, es llamado tiempo de retraso estadístico (del inglés Statistical time lag) [5], [8].

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Figura 1.2 Voltaje y corriente en una cavidad donde se presentan descargas parciales [9]

1.2 CARACTERISTICAS DE LOS PULSOS DE DESCARGA PARCIAL

Las descargas parciales aparecen en forma de rápidos pulsos del orden de unidades a decenas de ns de tiempo de subida y centenas de ns a unidades de μs de duración. Con picos, que normalmente se cuantifican en: mV cuando se utilizan capacitores de acoplamiento, mA (o mV) cuando se utilizan transformadores de corriente de alta frecuencia, dB cuando se emplean analizadores de espectros o sensores acústicos y pC cuando se realiza un proceso de calibración del circuito de medida. La señal de descarga parcial es irregular en ocurrencia, no periódica, de naturaleza transitoria y con forma de pulsos exponenciales amortiguados o pulsos oscilatorios amortiguados [11]. Además, puesto que la forma de onda del pulso de DP depende de la dinámica interna, la evolución del defecto debido a los cambios químicos, las carbonizaciones parciales, las distribuciones internas de acumulación espacial de cargas, la tensión aplicada, etc., hace que la forma de onda de los pulsos resultante no sea una constante, sino que varía con el tiempo (ver Figura 1.4) y para cada tipo de defecto [10]. Un desafío adicional es que los pulsos de DP están frecuentemente embebidos en ruido, dificultando su detección. La Figura 1.3 muestra los parámetros típicos de un pulso de DP.

Figura 1.3 Principales parámetros de un pulso de descarga parcial [12]

Los principales parámetros de un pulso individual de DP son [13]:

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Voltaje pico (𝑉𝑝): es el nivel de voltaje máximo del pulso de DP (en terminales del circuito de

medida).

Tiempo de subida (𝑡𝑠): es el tiempo que tarda el pulso en ir desde el 10% hasta el 90% del voltaje pico.

Tiempo de caída (𝑡𝑓): es el intervalo de tiempo que toma el pulso en caer desde el 90% hasta el

10% del voltaje pico (típicamente varia de 3 a 10 veces el tiempo de subida).

Ancho del pulso (𝐴𝑃): se refiere al intervalo de tiempo entre el 50% de la magnitud máxima del pulso.

Tiempo de ocurrencia (𝑡𝑖): es el tiempo medido entre la magnitud pico de la DP y el cruce por cero positivo de la señal de alterna (señal de sincronismo).

Ángulo de fase (𝜑): es la fase, en grados, en la que ocurre el voltaje pico de la DP con respecto a la señal de sincronismo. El ángulo de fase u ocurrencia es 𝜑 = 360° ∗ (𝑡𝑖/𝑇) donde 𝑇 es el periodo de la señal de sincronismo.

Polaridad de la descarga (𝑝𝑖): hace referencia a si la magnitud pico del pulso de DP es positiva o negativa.

Figura 1.4 Pulsos de corriente de DP negativas en cavidades de un cable XPLE a) al inicio y b) 30min después de aplicar la tensión de prueba [16]

La forma, el ancho y el tiempo de subida del pulso determinan el espectro de frecuencias. Cuanto más corto es el tiempo de subida del pulso, más amplio es el espectro y menor es la magnitud en baja frecuencia (Ver Figura 1.5) [14]. Los tiempos de subida del pulso de DP pueden variar desde menos de 0,35ns a decenas de ns dependiendo de la naturaleza de la fuente de DP. Esto implica que el ancho de banda de la señal puede variar de cientos a decenas de MHz. [15].

Figura 1.5 Espectro en frecuencia de dos pulsos de diferente tiempo de subida (los anchos

del pulso son de dos veces 𝒕𝒔) [14]

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16

Hay varias fuentes de interferencias externas que afectan la medición de descargas parciales (ruido eléctrico), ya que a menudo se sobreponen a las señales de DP de pequeña magnitud, haciendo difícil su detección. Estas fuentes de interferencia incluyen: sistemas de comunicación móvil y de transmisión de radio (ruido sinusoidal continuo), chispas y disparo de tiristores resultando en pulsos de corriente periódicos (ruido estocástico), conmutaciones y arcos (interferencias en forma de pulso periódico y estocástico). Además, el ruido térmico que puede ocurrir dentro del propio circuito de detección, este ruido interno es bastante complejo y pude presentar las mismas características de los pulsos de DP. Una manera de mitigar la presencia de ruido es fijando un umbral (threshold) para ignorar las señales inferiores al 10% de la amplitud máxima de DP. No obstante, este método no es adecuado para aplicaciones que requieren buena precisión, ya que un alto nivel de umbral ignora pulsos de DP de pequeña magnitud y, a su vez, un pequeño nivel detecta erróneamente gran cantidad de ruido como pulsos de DP. Existen diferentes métodos de eliminación de ruido (denoising), pero los mejores resultados se han obtenido con los métodos basados en Wavelet. [17]. 1.3 TIPOS DE DESCARGAS PARCIALES

Las descargas parciales, en general, se pueden clasificar en tres tipos: interna, corona y superficial. 1.3.1 DESCARGAS PARCIALES INTERNAS

Las descargas internas ocurren en inclusiones de baja rigidez dieléctrica, donde se concentra un alto campo eléctrico. Por ejemplo, grietas, cavidades o delaminaciones en dieléctricos sólidos, burbujas en los aislantes líquidos, incrustaciones de partículas extrañas, protuberancias metálicas, etc. La Figura 1.7 muestra delaminaciones en barras de máquinas rotativas. Su origen es debido al fuerte campo eléctrico creado dentro de los defectos. Este estrés eléctrico puede variar de acuerdo a factores como, el tamaño y forma de la cavidad en el dieléctrico, la ubicación de la inclusión en el dieléctrico y la presión del gas en la cavidad, ya que la tensión de ignición está en función de dicha variable. En la Figura 1.6 se observa como varía la tensión de ruptura del gas en función de la presión y el espacio de los electrodos (curva de Paschen).

Figura 1.6 Curva de Paschen [21]

1.3.2 DESCARGAS CORONA

Son descargas causadas por la presencia de fuertes campos eléctricos alrededor de puntas o bordes metálicos sometidos a alta tensión que producen una ionización del gas que lo rodea, y que

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17

finalmente provocan una ruptura del aislante en esa zona. Estas descargas suelen ir acompañadas de luz visible y ruido audible. Las DP corona son comunes en los conductores de las líneas de alta tensión y se manifiesta en forma de halo luminoso a su alrededor. Puesto que los conductores suelen ser de sección circular, el halo adopta una forma de corona, de ahí el nombre del fenómeno [22]. La Figura 1.8 muestra el efecto de DP corona en las barras de un generador eléctrico de alta tensión. 1.3.3 DESCARGAS PARCIALES SUPERFICIALES

Las descargas parciales superficiales ocurren sobre la superficie de un aislamiento donde el campo eléctrico tangencial a la superficie es alto. Estas descargas pueden puentear la diferencia de potencial entre la fuente de alta tensión y el electrodo de tierra a través de grietas o caminos contaminados sobre la superficie del aislamiento. Es muy común encontrar este tipo de descargas en los aislamientos eléctricos entre espiras de máquinas eléctricas, en cadenas de aisladores contaminados, terminales de cables, etc.

Figura 1.7 Delaminación en barras de máquinas

rotativas. [20] Figura 1.8 Barras con presencia de descargas corona

[20]

1.4 MEDICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES 1.4.1 MÉTODOS DE DETECCIÓN

La medida de descargas parciales ha ido evolucionando progresivamente desde los años 50-60 hasta la actualidad, dependiendo del estado de la tecnología [10]. Las DP están acompañadas por varias manifestaciones físicas: pulsos eléctricos, ondas electromagnéticas de RF (radiofrecuencia), pulsos acústicos, luz y reacciones químicas. Estas manifestaciones pueden ser medidas para detectar y cuantificar la actividad de DP [23]. Por lo que existe medición de DP por métodos eléctricos y no eléctricos. Se pueden diferenciar los siguientes métodos no eléctricos [1]:

Método Químico: aprovecha la información aportada por los gases que aparecen en el aceite

mineral del transformador para detectar DP o sobrecalentamientos. Las DP provocan cambios

en estos gases (etileno, acetileno, metano, hidrógeno, dióxido de carbono y oxígeno en forma

de ozono) que se generan a mayor velocidad. La medida de estos cambios detecta la presencia

de las descargas. Una desventaja de este método es la imposibilidad de entregar la ubicación de

la descarga exacta, solo puede indicar una zona amplia.

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18

Método Acústico: este método detectan la actividad de descargas por medio de sensores que se

instalan en el tanque del transformador. Las descargas ocasionan ondas sonoras que se propagan

a través del medio aislante. Miden la magnitud y entregan la ubicación física de las fuentes de

las DP. Se realizan con micrófonos o transductores acústicos combinados con amplificadores y

osciloscopios.

Método Óptico: detecta la luz que producen los procesos de descarga parcial; ionización,

excitación y recombinación. Una desventaja es la variación del espectro óptico, puesto que no

siempre es el mismo. El espectro depende de la intensidad de la descarga y de factores como la

temperatura y la presión del aislante.

En general, estos métodos no son adecuados para la medición cuantitativa de la DP, pero son esencialmente utilizados para detectar y/o localizar las DP. [1] Los métodos eléctricos están basados en la detección de los pulsos de corriente de DP que circulan por el circuito de medida, sus características se encuentran definidas en [1]. Para la medida eléctrica de DP, en general, se emplean dos tipos de acoplamientos diferentes: el acoplamiento por campo eléctrico (acoplamiento capacitivo) y el acoplamiento por campo magnético (acoplamiento inductivo). 1.4.1.1 Sensado de pulsos eléctricos: capacitores de acoplamiento y transformadores

de corriente de alta frecuencia

Debido a que una descarga parcial implica un flujo de electrones e iones a través de una pequeña distancia en un período finito de tiempo, una pequeña corriente fluye cada vez que se produce una DP. La corriente total está determinada por el transporte de un determinado número de pC de carga. El flujo de corriente crea un pulso de voltaje a través de la impedancia del sistema de medición. Uno de los principales medios de detección de DP es medir el pequeño pulso de voltaje que acompaña cada DP, o el pulso de corriente resultante. Estas cantidades se miden en circuitos alejados de la DP. El pulso de tensión se puede detectar por medio de capacitores de alta tensión. El capacitor tiene una alta impedancia a la frecuencia de la fuente de tensión, pero aparece como una baja impedancia para los pulsos de tensión de alta frecuencia. Alternativamente, un transformador de corriente de alta frecuencia (HFCT, High frequency current Transformer) se puede instalar en los terminales de bajo voltaje (neutro o tierra) o en otros lugares adecuados para detectar los pulsos de corriente que acompañan a las DP. La salida del capacitor o del transformador de corriente de alta frecuencia son pulsos de tensión o de corriente, respectivamente, que se puede medir con un osciloscopio, un analizador de espectro, un analizador de altura de pulsos, etc. [23] En los HFCT se induce un voltaje en el circuito secundario (detección) como respuesta al cambio en el flujo magnético causado por la corriente en el circuito primario (corriente de DP) [24]. El campo magnético generado por el pulso de DP es medido por el transformador de corriente o por medio de una bobina arrollada como circuito secundario alrededor del circuito primario; un ejemplo de estas bobinas son las bobinas Rogowski. La respuesta en la frecuencia de un capacitor es una función de los valores de capacitancia y de sus circuitos asociados, cuando el capacitor termina directamente en una resistencia de 50Ω el punto a -3dB (ancho de banda) es una función de la capacitancia de acoplamiento: 40MHz (80pF), 6.4MHz (500pF), 320kHz (10nF) [23]. Los sensores deben estar libres de descargas parciales en el voltaje de operación, tener un valor de capacitancia y un factor de disipación estable con la temperatura [26]. El valor de la capacitancia tiene implicaciones sobre la sensibilidad de la medida y sobre el valor medido de la carga aparente. Comúnmente, el valor de capacitancia se encuentra entre los pF y

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decenas de nF [10]. La sensibilidad del sistema de detección varía inversamente con la capacitancia del objeto de prueba [7], [27]; mientras que lo hace directamente con la capacitancia del condensador de acoplamiento [28]. La Figura 1.9 muestra la repuesta en frecuencia de sensores capacitivos para la detección de DP en el devanado de máquinas rotativas de alta tensión.

Figura 1.9 Respuesta en frecuencia de capacitores de acoplamiento de la marca HVPD (1 MHz a 50 MHz)

utilizados para máquinas rotativas [18]

1.4.2 MÉTODOS DE MEDIDA CONVENCIONAL Y NO CONVENCIONAL

Básicamente los métodos convencionales son aquellos que se realizan de acuerdo a la norma IEC 60270, mientras que los no convencionales no tienen una norma. Los métodos convencionales realizan la evaluación de la carga de los pulsos de DP basados en la llamada cuasi-integración, empleando filtros pasa-banda. El filtro pasa-banda es un elemento clave en este tipo de medidas, que actúa como un filtro en el sentido tradicional, filtrando el ruido recogido en las medidas, y por otra parte actúa como un pseudo-integrador. La relación entre las frecuencias de corte de este filtro y el espectro del pulso hacen que el filtro se comporte como un pseudo-integrador, de forma que el valor pico del pulso de voltaje a la salida del filtro, es proporcional al área del pulso a la entrada de éste, y es por lo tanto una medida de la carga aparente del pulso de corriente de DP. La medición convencional implica que una parte del espectro de frecuencias de la señal de DP es descartada, es decir, hay una pérdida de información en la medida. Esta pérdida de información ocasiona un recorte de la carga aparente determinada, puesto que el teorema de Parseval indica que la energía del pulso en el dominio del tiempo es igual a la energía del pulso en el dominio de la frecuencia, si se pierde una proporción de las frecuencias del pulso se está disminuyendo la magnitud de la descarga [10]. El ancho de banda del filtro debe estar contenido dentro del espectro del pulso, tal y como se aprecia en la Figura 1.10, el cual es sintonizado en un rango de frecuencia donde la amplitud del espectro de frecuencia del pulso de DP es casi constante.

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Figura 1.10 Respuesta en frecuencia de los sistemas de medida de descarga parcial [19]

Dependiendo del ancho de banda Δ𝑓 = 𝑓2 − 𝑓1 del filtro pasa-banda del equipo de medida, se diferencia entre instrumentos de banda ancha e instrumentos de banda estrecha. [1] Para instrumentos de medida de DP de banda ancha se debe cumplir con los siguientes valores de ancho de banda recomendados según IEC 60270 [1]:

Frecuencia límite inferior: Frecuencia límite superior: Ancho de banda:

30kHz ≤ 𝑓1 ≤ 100kHz

𝑓2 ≤ 500kHz 100kHz ≤ Δ𝑓 ≤ 400kHz

Para instrumentos de medida de DP de banda estrecha se debe cumplir con los siguientes valores recomendados [1]:

Ancho de banda: Frecuencia central:

9kHz ≤ Δ𝑓 ≤ 30kHz 50kHz ≤ 𝑓𝑚 ≤ 1MHz

La forma, duración y valor pico del pulso de salida es determinado por la impedancia de transferencia del sistema de medida. Así, el pulso de salida puede ser completamente diferente al pulso de entrada. La respuesta de los equipos de DP, equipados con filtros pasa-banda, es una oscilación amortiguada, donde la duración del pulso de salida es mucho mayor que la del pulso de entrada, esto se aprecia en la Figura 1.11. Para los sistemas de banda ancha se utiliza frecuentemente el primer pico para determinar la magnitud y polaridad de la DP. Aunque se puede presentar que la magnitud de un segundo pico sea mayor que la del primero, dificultando el reconocimiento correcto del valor de la carga y su polaridad. Dicho reconocimiento ya dependerá del funcionamiento del equipo de medida utilizado. En los equipos de medición de banda estrecha la determinación de la magnitud pico y la polaridad de la DP se dificultan, ya que se presentan varios picos de la señal con diferente polaridad. Generalmente la información de la polaridad es indeterminada y el mayor pico representa mejor la medida de la carga. Existe una necesidad de los métodos no convencionales debido a que la respuesta en el tiempo de los métodos convencionales es muy larga. Esto puede producir solapamiento de las respuestas de los pulsos, lo que por ejemplo, no es adecuado para la localización. [25] Hoy en día, gracias a los modernos equipos disponibles, a los nuevos materiales y las nuevas tecnologías electrónicas, es posible medir los pulsos de DP con mayor precisión, reproduciendo casi totalmente la forma de onda de los pulsos. Este hecho permite emplear nuevas técnicas matemáticas de análisis de la carga, de identificación de DP y de localización de pulsos. Todas estas técnicas modernas, que emplean sensores de gran ancho de banda y altas velocidades de muestreo para digitalizar los pulsos de DP se incluyen en los llamados Métodos no convencionales. [10]

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Figura 1.11 Respuesta ante un pulso DP de un equipo de a) Banda ancha y b) Banda estrecha (Pulso superior: entrada,

Pulso inferior: salida, base de tiempo 4µs/div) [16]

Los métodos no convencionales comprenden tres rangos de medida de frecuencia: alta frecuencia (HF, High Frequency) de 3-30MHz, muy alta frecuencia (VHF, Very High Frequency) de 30-300MHz y ultra alta frecuencia (UHF, Ultra High Frequency) de 300-3000MHz. La aplicabilidad de cada rango depende del componente del sistema eléctrico, para cables y máquinas rotativas se usa HF y VHF y para transformadores o GIS, UHF [23]. En general, los métodos no convencionales no siguen estrictamente un circuito normalizado para el sistema de medida, por ejemplo, cuando se utilizan técnicas acústicas y de radiofrecuencia. [29] La selección del ancho de banda óptimo debe hacerse con el propósito de obtener la máxima relación señal-ruido. Por lo tanto, se debe conocer el espectro de frecuencias de la señal de DP, para con ello poder determinar el ancho de banda del sistema de medición con el que la relación señal-ruido sea máxima. La selección de un ancho de banda muy grande puede comprometer la relación señal-ruido [30], ya que el ruido se extiende por todas las componentes de frecuencia. Las investigaciones de la influencia del ancho de banda de un sistema sobre la respuesta de los pulsos de DP, muestran que las frecuencias de filtrado influyen sobre la longitud de tiempo de la respuesta, la sensibilidad del sistema y la determinación de la carga. [25]

1.4.3 CIRCUITO DE MEDIDA

Generalmente se emplean dos tipos de configuraciones para asegurar la medida de DP y su reproducibilidad, que se diferencian en la disposición de la impedancia de medida con respecto al objeto de ensayo. En el circuito directo, Figura 1.12a, la impedancia de medida está en serie con el objeto de ensayo, y en el indirecto, Figura 1.12b, en serie con el condensador de acoplamiento. Cada una de las configuraciones ofrece una polaridad diferente a los pulsos generados por las DP. En la configuración directa, los pulsos tienen la misma polaridad que la onda de tensión aplicada, mientras que en la indirecta, la polaridad es la opuesta. La normativa permite la utilización de los dos circuitos, sin embargo, en el circuito directo la impedancia de medida se conecta en serie con el objeto de ensayo y en caso de fallo del aislante, queda expuesta a la tensión aplicada, lo que pone en riesgo a los equipos de medida y a las personas. Por esta razón, el circuito más recomendable y utilizado para garantizar la seguridad es el indirecto. Los principales elementos de las configuraciones son:

• Una fuente de alta tensión, formada por un transformador Tr libre de DP para evitar interferencias o errores de interpretación.

• Una impedancia filtro Zn, que evita que las DP que se producen en el objeto de ensayo circulen por el lazo de la fuente de alta tensión. Por otra parte, sirve de filtro ante posibles perturbaciones

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de la red, que a través del transformador pueden pasar al circuito de medida, e igualmente atenúa posibles pulsos de DP del transformador en el caso de que no esté libre de DP

• El objeto de prueba, cuyo comportamiento se aproxima a una capacitancia Ca. • Un condensador de acoplamiento Ck, que facilita el paso de los pulsos de corriente de alta

frecuencia.

El dispositivo de acoplamiento CD es una red de cuatro terminales activa o pasiva (cuadripolo) y

contiene la impedancia de medida Zm, que convierte los pulsos de DP en su entrada en pulsos de

voltaje a su salida. La conexión serie del capacitor de acoplamiento Ck con la impedancia de

medida Zm forma un filtro pasa alta. Algunos cuadripolos separan la señal DP de la de red

(sincronismo), entregándolas en diferentes canales.

• Un cable de conexión. • Un instrumento de medida de DP, Mi.

Figura 1.12 Circuitos de medición de descargas parciales a) directo y b) indirecto [16]

La corriente originada por la descarga circula hacia la rama capacitiva que ofrece un camino de baja impedancia para señales de alta frecuencia, dado que la rama opuesta tiene una impedancia inductiva que bloquea su paso. Esta rama capacitiva, compuesta por el condensador de acoplamiento Ck y la impedancia de medida Zm, facilita la circulación de la DP y actúa como un divisor de tensión protegiendo al sistema de medida. Así, la combinación del capacitor y la impedancia de medida se comportan como un filtro, donde la frecuencia de corte inferior tiene que ser sintonizada de manera que al menos la señal de frecuencia de la red y sus armónicos se filtran, además para medición convencional debe abarcar los anchos de banda de los filtros IEC. 1.4.4 CARGA APARENTE Y CALIBRACIÓN

La medida de DP está basada en la detección de las pequeñas corrientes que circulan por el circuito de medida. Estas corrientes impulsionales son consecuencia del acoplamiento con el circuito de medida de las avalanchas electrónicas que se producen en el seno del aislamiento. Puesto que la magnitud de la carga que circula por el circuito de medida no es igual a la magnitud de la carga asociada a la avalancha electrónica, es necesario definir el concepto de carga aparente. La integración del pulso de corriente se denomina carga aparente y se define como aquella carga que inyectada instantáneamente en bornes del objeto de prueba, daría la misma lectura en el instrumento de medida que el propio pulso de corriente de la descarga parcial [1]. Habitualmente la carga aparente se expresa en pC. Debido a que la forma del pulso puede cambiar de un circuito de medida a otro, dependiendo de los conductores, condensadores y demás elementos usados, la medida convencional contempla la necesidad de relacionar el valor de tensión obtenido con la carga aparente producida por la DP

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mediante un proceso de calibración. Este proceso se basa en una simulación de transferencia de carga interna entre la fuente de DP y los terminales del equipo bajo prueba por medio de un calibrador externo, como se puede ver en la Figura 1.13. El calibrador se conecta en paralelo con el objeto de prueba y con el divisor capacitivo formado por el condensador de acoplamiento Ck y la impedancia de medida Zm. El calibrador de DP es un generador de pulsos (más específicamente una fuente de voltaje tipo step o square) de amplitud 𝑈𝑜, que emite una señal de calibración constante 𝑞𝑜 de magnitud conocida a través de un pequeño capacitor 𝐶𝑜. El valor de la señal de calibración está dado por la ecuación (1.2)

ooo CUq (1.2)

Donde se requiere que la capacitancia del calibrador sea mucho menor a la del equipo bajo prueba (𝐶𝑜 ≪ 𝐶𝑎).

Figura 1.13 Circuito para el proceso de calibración

El objetivo de la calibración es la obtención de la constante de calibración 𝐾𝑐𝑎𝑙 del sistema de medida, que relaciona el valor pico de la onda a la salida del sistema detector con el valor de carga inyectado por el calibrador de DP. Así, para determinar el valor de la carga del pulso, se mide el valor pico de voltaje del pulso obtenido durante la prueba y se multiplica por la constante de calibración, como se muestra en la ecuación (1.3):

DPcalDP

o

o

DP VKVV

qq

(1.3)

donde:

𝑞𝐷𝑃: valor de carga de las DP ocurridas en el objeto durante la prueba [pC] 𝑉𝑜: magnitud del pulso de tensión a la salida del detector al inyectar el pulso calibrador [mV] 𝑉𝐷𝑃: magnitud del pulso de tensión de la DP medidas a la salida del detector durante la prueba [mV]

La constante de calibración 𝐾𝑐𝑎𝑙 = 𝑞𝑜/𝑉𝑜, se obtiene de la pendiente de la relación pC/mVpico tras inyectar varios pulsos de diferente magnitud con el calibrador. La calibración es uno de los procesos más importantes para garantizar la correcta medición, debe realizarse antes de cada prueba y repetirse cuando se presenta algún cambio en el circuito o en el objeto bajo prueba.

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24

1.5 ANÁLISIS DE DESCARGAS PARCIALES

El objetivo principal del análisis de descargas parciales es verificar, por medio de la realización de una prueba no destructiva, que el nivel de descargas que se representa en un equipo en particular es seguro para su operación y no representa un riesgo que pueda ocasionar una falla prematura. La detección de los pulsos es el primer paso para el análisis de la actividad de DP. Para identificar las fuentes de la DP y los posibles defectos en el aislamiento se requiere extraer rasgos de los pulsos, clasificarlos según los patrones y clases existentes y evaluar finalmente el estado del aislamiento. Las técnicas de identificación de descargas parciales son variadas, en [17] se puede encontrar un resumen de éstas. A continuación se abordan algunas de las técnicas utilizadas como lo son: el gráfico de altura de pulsos, el diagrama de fase resuelta y la aplicación de la distribución de Weibull. 1.5.1 ANÁLISIS DE ALTURA DE PULSOS

El gráfico de análisis de altura de pulsos (PHA, Pulse Height Analysis) registra el número de pulsos por segundo (pps) en escala logarítmica en función de la magnitud de las DP (mV o pC) en escala lineal y de valores discretizados (ventanas de magnitud). La Figura 1.14 muestra la curva PHA para un generador de 10.5MW.

Figura 1.14 Gráfico PHA en un turbogenerador de 10.5MW. Resultados del equipo PDTrac de Iris Power [31]

Esta herramienta permite determinar la existencia de algún incremento en la magnitud o número de DP presentes en el sistema aislante. El proceso de evaluación se realiza a partir de la comparación de diferentes gráficas obtenidas de mediciones hechas con el pasar del tiempo. El gráfico de altura de pulsos también brinda una idea general de la ubicación de las DP en el sistema aislante, ésta ubicación se realiza determinando qué polaridad de pulsos es la predominante. Como se observa en la Figura 1.15, si las curvas son similares no habrá predominancia y esto se puede relacionar con la existencia de cavidades dentro del aislamiento principal, cuando los pulsos de polaridad positiva predominan sobre los de polaridad negativa proporcionan un indicio de la existencia de cavidades cercanas al núcleo del estator (tierra) y cuando los pulsos de polaridad negativa predominan sobre las de polaridad positiva proporciona un indicio de que existen cavidades cercanas a los conductores de cobre. [20]

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a) b)

c)

Figura 1.15 Predominancia de los pulsos de DP en el gráfico de altura de pulsos. a) Predominancia positiva, b) Predominancia negativa y c) No predominancia. [20]

1.5.1.1 Magnitud pico de descargas parciales 𝑸𝒎 y cantidad numérica normalizada NQN

Las variables relacionadas al gráfico de Altura de Pulsos 𝑄𝑚 o 𝑄𝑚𝑎𝑥 (largest repeatedly ocurring PD magnitude) y NQN (Normalized Quantity Number) permiten interpretar de manera más simple los resultados. La variable 𝑄𝑚 es la magnitud asociada a una repetición de 10pps (ver Figura 1.16a). La cantidad NQN es originalmente definida como el área normalizada bajo una línea recta aproximada del conteo de pulsos en cada ventana de magnitud del análisis de altura de pulsos (ver Figura 1.16b). [23]. El cálculo de NQN puede realizarse mediante la ecuación (1.4) [23]

1

2

1010

110

2

loglog

2

log N

i

Ni

PP

P

NG

FSNQN

(1.4)

donde:

𝑃𝑖: número de pulsos por segundo en la ventada de magnitud i N: número de ventanas de magnitud G: ganancia del detector de descargas parciales (aritmético no decibeles) FS: ventana de magnitud máxima en mV en unidades de ganancia

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a) b)

Figura 1.16 Variables a) 𝑸𝒎

y b) NQN [20]

Otro método propuesto para el cálculo de NQN puede encontrarse en [32], donde se relaciona el valor obtenido de NQN con una probable condición del devanado de la máquina rotativa dado el tipo de sistema de aislamiento.

1.5.2 DIAGRAMA DE FASE RESUELTA

La técnica de análisis de descargas parciales más utilizada es el análisis del diagrama de fase resuelta o patrón PRPD (Phase-Resolved Partial Discharge), este análisis permite identificar algunos de los mecanismos de degradación más comunes, pues existe una fuerte relación entre la forma del patrón y el tipo de defecto que lo causa [20], [33]. En este diagrama, se grafica la magnitud de la DP 𝑞 en pC o mV (eje y) contra su fase de ocurrencia 𝜑 en grados (eje x) donde se registra un cierto número de ciclos de tensión sobre un único ciclo de la señal de alterna. La fase de ocurrencia es discretizada en ventanas en un rango de 0° a 360°, ver Figura 1.17, también se agrega la cantidad de DP 𝑛 (𝑞, 𝜑), que cuenta la descargas que tienen un mismo valor de magnitud y fase, este último en el eje z (diagrama 3D) o puede representarse con diferentes niveles de intensidad de color (diagrama 2D).

Figura 1.17 Obtención del diagrama de fase resuelta [33]

Es muy importante ser capaz de distinguir el tipo de descarga, debido a que la nocividad de las DP depende en gran medida de esto. De la interpretación de estos patrones, se pueden concluir en la mayoría de casos si se trata de ruido, de una descarga parcial interna, de una descarga parcial superficial o de una descarga corona. El problema con el diagrama de fase resuelta es que es altamente dependiente del sistema de medida y sus propiedades (linealidad del sensor, rango de medición de pC, tensión aplicada) y de las condiciones de medida (la cantidad de perturbaciones). Los patrones también cambian durante el tiempo. Esto significa que hay múltiples patrones que describen el mismo tipo de defecto. La situación se vuelve aún más difícil cuando hay varios defectos que producen DP al mismo tiempo [34].

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La Figura 1.18 muestra el diagrama de fase resulta típico para los tres tipos de descargas parciales. Las descargas corona, suelen ocurrir alrededor de los 270° (o 90°) y ser de magnitud constante; aparecen principalmente en un solo semiciclo, pero esto es debido a que la tensión de ignición es diferente para cada semiciclo de la señal de tensión, por lo que, si las tensiones son elevadas, pueden aparecer pulsos esporádicos en el semiciclo opuesto. Cuando la parte afilada o en punta está conectada a alta tensión las primeras descargas toman lugar en el semiciclo negativo (DP corona negativas) de la tensión de red, en el caso que la punta este a tierra las descargas aparecen en el semiciclo positivo (DP corona positivas). La frecuencia de repetición es fuertemente dependiente del nivel de tensión. [34]–[36] Las descargas parciales superficiales toman lugar en ambos semiciclos de la señal de alterna, con fases de ocurrencia entre 0-90° y 180°-270°, el patrón de DP depende fuertemente de la geometría de los electrodos. Es común que la magnitud de las descargas sea diferente en cada semiciclo. Las descargas parciales internas ocurren en los rangos de 330°-90° y 150°-270°, la magnitud de las descargas depende de la profundidad de la cavidad y puede ser de diferente magnitud entre los semiciclos positivo y negativo dependiendo de la ubicación de la cavidad. La repetición depende del área de la cavidad. También la forma de la cavidad tiene un efecto significante en el patrón. [34]–[36].

Figura 1.18 Diagrama de fase resuelta típico para descargas parciales a) Corona, b) Superficiales e c) Internas [35]

En la Figura 1.19 se observa el despliegue típico del devanado de un generador eléctrico con presencia de DP en las cabezas de bobina, debido a un mal diseño de la cinta gradiente o muy poco espacio entre el devanado y el núcleo provocando que el fenómeno conocido como “sparking” aparezca en la interfaz. [20]

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Figura 1.19 Diagrama de fase resuelta para el devanado de un generador eléctrico con daño en las cabezas de bobina.

Resultado del equipo MICAMAXX plus de PDTech. [20]

1.5.3 DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL

Es una distribución de probabilidad acumulativa muy utilizada para modelar tiempos de vida en ensayos de envejecimiento por esfuerzos eléctricos. Permite modelar de forma segura una probabilidad de tiempo hasta el fallo. El análisis de Weibull provee una descripción matemática del gráfico de altura de pulsos. Asume que la función de probabilidad de la curva de altura de pulsos para una única fuente de DP puede ser expresada por la función de Weibull de dos parámetros

q

eqF 1)(

(1.5)

donde:

𝑞: Es la magnitud de las descargas parciales en mV o pC. 𝐹(𝑞): Es la probabilidad de tener una descarga con una amplitud igual o menor que 𝑞. 𝛼: Es el parámetro estadístico de escala (𝛼 ≥ 0). Es la magnitud de descarga que han alcanzado el 63,2% de los pulsos (análogo al significado de media de la distribución normal). Su significado estadístico pierde valor para valores de 𝛽 muy bajos. 𝛽: Es el parámetro de forma de la distribución (𝛽 ≥ 0). Es una medida de la variabilidad de las magnitudes de DP. Un valor pequeño de 𝛽 (𝛽 < 2) se asocia a una alta variabilidad, lo que explica una existencia de gran diferencia entre la mínima magnitud de descarga y la máxima detectada en el ensayo.

Para el caso de múltiples fuentes la distribución de probabilidad es basada en la distribución de Weibull mixta. Los parámetros de Weibull se pueden calcular mediante el uso del criterio de máxima verosimilitud (maximum likelihood method) o por regresión lineal de mínimos cuadrados (Least square linear regression) aplicado a la ecuación (1.6) escrita en forma logarítmica

)ln()ln()(1lnln qqF (1.6)

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Definiendo )(1lnln)( qFqy , )ln()( qqx y )ln(b la ecuación (1.6) se convierte

en bqxqy )()( (1.7)

Que es una línea recta en coordenadas (x (q), y (q)) con pendiente 𝛽 (gráfico de Weibull). Y donde el parámetro de escala es

b

e

(1.8)

Si se utiliza el método de mínimos cuadrados se requiere de una estimación para la probabilidad acumulativa 𝐹(𝑞). Existen varias posibilidades para el estimador de rango mediano (MR, media rank), uno de los más utilizados es [37]

4.0

3.0)(

N

iMRqF

(1.9)

donde:

N: número total de descargas parciales i: dato número 1, 2, 3,…,N

Los parámetros de escala 𝛼 y de forma 𝛽 pueden ser correlacionados con la actividad de DP y constituir una herramienta útil para el diagnóstico de aislamiento basado en la medición de DP [38]. La Figura 1.20 muestra el comportamiento de los parámetros 𝛼 y 𝛽 en el tiempo para el envejecimiento de una barra del estator de una máquina rotativa, el parámetro de escala incrementa con el tiempo de envejecimiento, mientras que, el parámetro de forma decrece.

Figura 1.20 Comportamiento en el tiempo de los parámetros 𝜶 y 𝜷 para el envejecimiento de una barra estatorica [39]

Los parámetros 𝛼 y 𝛽 no varían significativamente con la tensión aplicada y permanecen invariantes con la localización de la fuente de la DP en el sistema de aislamiento. [38], [39]. El parámetro de forma 𝛽 puede ser utilizado para identificar diferentes tipos de descarga parcial. [39]–[42]. La Figura 1.21 muestra la comparación del parámetro 𝛽 para diferentes tipos de DP. En varias mediciones realizadas a diferentes equipos y objetos de alta tensión como en [40], [41], [43]–[49] generalmente se obtiene que 𝛽𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 > 𝛽𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 > 𝛽𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 pero el valor de

𝛽𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 tiene un amplio rango y suele suceder que sea inferior al valor de 𝛽𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠.

Descargas Parciales

30

Figura 1.21 Comparación del parámetro 𝜷 obtenido para diferentes tipos de DP (generadas con electrodos).

S: superficiales, V1 y V2: internas (1.3mm y 2mm de diámetro), C60 y C90: corona usando puntas de radio 60µm y 90µm respectivamente. [41]

En [50] utilizaron los parámetros 𝛼 y 𝛽 para identificar diferentes tipos de DP como se observa en la Figura 1.22. Se utilizaron cuatro prototipos de modelos hechos para producir cuatro tipos de DP comunes en el devanado del estator, que incluyen DP normales en barras estándar (NM), descargas internas (IV) causadas por cavidades de aire dentro de las capas de aislamiento, descargas en cabeza de bobina (EW) causadas por destrucción de la cinta gradiente de la barra a la salida de la ranura, y descargas de ranura (SL) causadas por abrasión de la capa semiconductora de las barras en la ranura. De cinco a diez barras fueron utilizadas para producir cada tipo de actividad de DP. Se pueden observar que tres clusters principales –SL, EW y los otros– aparecen en el gráfico de 𝛼, y las DP normales pueden ser separadas de las internas por la suma 𝛼 + y 𝛼 −. En el gráfico de 𝛽 son separados los clusters de SL y EW.

a) b)

Figura 1.22 Gráficos de a) 𝜶 y b) 𝜷 para diferentes tipos de DP. [50]

1.6 CONCLUSIONES

Las descargas parciales son un fenómeno de carácter estocástico, que varían con muchos

factores como: temperatura, dimensiones y presión de la cavidad, tensión eléctrica aplicada,

condiciones y características del aislamiento, el tiempo etc.

Descargas Parciales

31

Para asegurar la aparición de DP en una cavidad, el campo eléctrico en la cavidad debe exceder

la intensidad eléctrica de ruptura del gas y debe haber electrones libres que inicien la avalancha

de electrones.

El tiempo de subida del pulso de DP determina el ancho del espectro en frecuencia. Los tiempos

de subida pueden variar desde unidades a decenas de ns, lo que implica que el ancho de banda

de la señal puede variar de cientos a decenas de MHz, aunque el ancho de banda está limitado

fuertemente por el equipo de medida.

Las DP están acompañadas por varias manifestaciones físicas, que permiten detectar su

actividad; se diferencian dos métodos de detección, los métodos eléctricos y los métodos no

eléctricos, éstos últimos miden los pulsos eléctricos (voltaje o corriente resultante) producidos

por las DP, donde se emplean capacitores de alta tensión o transformadores de corriente de alta

frecuencia.

Los métodos convencionales y no convencionales se diferencian principalmente por el ancho de

banda de la medida. Los métodos convencionales se emplean de acuerdo a la norma IEC 60270,

con anchos de banda de hasta 400kHz mientras los no convencionales miden en el rango de

3MHz a 3GHz.

El gráfico de altura de pulsos permite determinar la existencia de algún incremento en la

magnitud o número de DP. El proceso de evaluación se realiza a partir de la comparación de

diferentes gráficas obtenidas de mediciones hechas con el pasar del tiempo. El gráfico también

brinda una idea general de la ubicación de las DP internas en el sistema aislante, ésta ubicación

se realiza determinando qué polaridad de pulsos es la predominante. Las variables relacionadas

al gráfico de altura de pulsos 𝑄𝑚 y NQN permiten en un solo número simplificar la información

obtenida en el gráfico. El valor de NQN se puede calcular por norma IEEE 1434.

El diagrama de fase resuelta es utilizado para identificar el tipo de descarga parcial, dependiendo

de la forma del patrón, y de la magnitud y ángulo de fase de los pulsos detectados. El diagrama

de fase resuelta es altamente dependiente del sistema de medida y sus propiedades (linealidad

del sensor, rango de medición de pC, tensión aplicada) y de las condiciones de medida (la

cantidad de perturbaciones). Los patrones también cambian durante el tiempo. Esto significa

que hay múltiples patrones que describen el mismo tipo de defecto.

Los parámetros de escala 𝛼 y de forma 𝛽 son una herramienta útil para el estudio de la actividad

de DP. El parámetro de forma 𝛽 es una medida de la variabilidad de las magnitudes de los pulsos

de DP y puede ser utilizado para identificar el tipo de descarga parcial, generalmente se obtiene

que 𝛽𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 > 𝛽𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 > 𝛽𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠 pero el valor de 𝛽𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 tiene un amplio rango y

puede ser inferior al valor de 𝛽𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠.

1.7 REFERENCIAS

[1] IEC, IEC 60270 High-voltage test techniques: Partial discharge measurements. 2000. [2] IEC, IEC 60034-27-1. Off-line partial discharge measurements on the stator winding insulation of rotating

electrical machines. 2006. [3] R. Bodega, P. H. F. Morshuis, M. Lazzaroni, and F. J. Wester, “PD Recurrence in Cavities at Different

Energizing Methods,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 53, no. 2, pp. 251–258, 2004.

Descargas Parciales

32

[4] M. Hoof and R. Patsch, “A physical model, describing the nature of partial discharge pulse sequences,” Proc. 5th Int. Conf. Prop. Appl. Dielectr. Mater., vol. 1, pp. 283–286, 1997.

[5] H. A. Illias, “Measurement and simulation of partial discharges within a spherical cavity in a solid dielectric material,” University of Southampton, 2011.

[6] F. Kreuger, Partial discharge detection in high-voltage equipment. 1989. [7] R. Bartnikas and E. Mcmahon, Engineering Dielectrics Corona Measurement and Interpretation. ASTM,

1979. [8] C. Forssén, “Partial discharges in cylindrical cavities at variable frequency of the applied voltage,” KTH

Royal Institute of Technology, 2005. [9] E. Kuffel, W. Zaengl, and J. Kuffel, High Voltage Engineering: Fundamentals, 2nd ed. Newnes:

Butterworth-Heinemann, 2000. [10] A. R. Mor, “Nueva metodología de la medida de descargas parciales en cables de alta tensión,”

Universitat Politècnica de València, 2012. [11] M. Florkowski and B. Florkowska, “Phase-resolved rise-time-based discrimination of partial discharges,”

Gener. Transm. Distrib. IET, vol. 1, no. 2, pp. 115–124, 2008. [12] X. Liu, “Partial Discharge Detection and Analysis in Low Pressure Environments,” The Ohio State

University, 2006. [13] P. Basappa, V. Lakdawala, K. Agarwal, G. A. Gerdin, and G. Shivaraj, “A Novel system for Generation,

Acquisition and Analyses of Partial Discharges,” IEEE, no. June, pp. 166–169, 2011. [14] J. Vanegas and J. Cobo, “Caracterización de la propagación de señales armónicas inyectadas en el

devanado del inducido de una máquina de corriente alterna,” Universidad del Valle, 2012. [15] H. Okubo, N. Hayakawa, and A. Matsushita, “The relationship between partial discharge current pulse

waveforms and physical mechanisms,” IEEE Electr. Insul. Mag., vol. 18, no. 3, pp. 38–45, 2002. [16] E. Lemke and S. Berlijn, Guide for partial discharge measurements in compliance to IEC 60270. 2008. [17] W. J. K. Raymond, H. A. Illias, A. H. A. Bakar, and H. Mokhlis, “Partial Discharge Classifications: Review of

Recent Progress,” Measurement, no. February, 2015. [18] HVPD, "6.6 kV, 1000pF Coupling Capacitor PD Sensor", p.2, 2015. [19] P. Emeraldi and U. Khayam, "Design of matching impedance for ultra wideband partial discharge

detection," Information Technology and Electrical Engineering (ICITEE), 2013 International Conference on, Yogyakarta, 2013, pp. 349-354.

[20] J. García, “Estudio del fenómeno de descargas parciales en aislamientos sólidos de los devanados de máquinas rotativas de corriente alterna,” Universidad del Valle, 2011.

[21] E. Husain and R. S. Nema, “Analysis of Paschen Curves for air, N2 and SF6 using the Townsend Breakdown Equation,” IEEE Trans. Electr. Insul., vol. EI-17, no. 4, pp. 350–353, 1982.

[22] S. A. Boggs, “Partial discharge: overview and signal generation - IEEE Electrical Insulation Magazine,” IEEE Electr. Insul. Mag., vol. 6, no. 4, pp. 33–39, 1990.

[23] IEEE, IEEE Std 1434-2014 Guide for the Measurement of Partial Discharges in AC Electric Machinery. 2014. [24] P. C. J. M. Vander Wielen, On-Line Detection and Location of Partial Discharges In Medium Voltage

Cables, vol. PhD. 2005. [25] L. W. van Veen, "Comparison of measurement methods for partial discharge measurement in power

cables", 2014. [26] IEC, IEC 60034-27-2, On-line partial discharge measurements on the stator winding insulation of rotating

electrical machines. 2012. [27] S. A. Boggs, “Partial Discharge - Part II: Detection Sensitivity,” IEEE Electr. Insul. Mag., vol. 6, no. 5, pp.

35–44, 1990. [28] J. P. Steiner, “Partial discharge - Part IV: Commercial PD testing,” IEEE Electr. Insul. Mag., vol. 7, no. 1,

pp. 20–33, 1991. [29] M. Rojas and G. Robles, “Sensor de acoplamiento inductivo para la medida de pulsos de corriente de alta

frecuencia. Aplicación para la medida y detección de descargas parciales,” Universidad Carlos III de Madrid, 2011.

Descargas Parciales

33

[30] A. Cavallini, G. C. Montanari, and M. Tozzi, “Partial discharge measurement and cable length: Meaning and limits,” in Conference Record of IEEE International Symposium on Electrical Insulation, 2008, no. 2, pp. 616–619.

[31] J. P. Rozotto Reyes, “Implementación de mantenimiento predictivo del aislamiento de devanados de generadores eléctricos de potencia en la planta generadora Eléctrica del Norte,” Universidad de San Carlos de Guatemala, 2013.

[32] J. F. Lyles, G. . . Stone, and M. Kurtz, “Experience with PDA diagnostic testing on hydraulic generators,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 3, no. 4, pp. 824–832, 1988.

[33] L. C. Castro Heredia, “Diagnóstico del aislamiento principal de bobinas estatóricas sometidas a esfuerzos termoeléctricos en laboratorio,” Universidad del Valle, 2014.

[34] O. Bergius, “Implementation of on-Line Partial Discharge Measurements in Medium Voltege Cable Network,” TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2011.

[35] M. G. Niasar, “Partial Discharge Signatures of Defects in insulation Symtems Consisting of Oil and Oil-impregnated Paper,” KTH Royal Institute of Technology, 2012.

[36] R. Albarracin, “Medida de descargas parciales en radiofrecuencia,” Carlos III de Madrid, 2014. [37] L. A. Dissado and J. C. Fothergill, Electrical Degradation and Breakdown in Polymers. London: The Institute

of Engineering and Technology, 1992. [38] A. S. Deshpande, A. S. Patil, and A. N. Cheeran, “The Applications of Weibull Function to Partial Discharge

Analysis and Insulation Ageing: A Review,” IJAEST, vol. 3, no. 2, pp. 111–114, 2015. [39] M. Cacciari, A. Contin, G. Rabach, and G. C. Montanari, “An approach to partial-discharge investigation

by height-distribution analysis,” IEEE Proc-Sci. Meas. Technol., vol. 142, no. I, pp. 102–108, 1995. [40] S. He, Q. Zhan, Y. Zhang, Y. Li, C. Wei, and X. Chen, “Investigation of Cable Partial Discharge Characteristics

Based on Weibull Distribution,” Appl. Mech. Mater., vol. 737, pp. 252–255, 2015. [41] A. Contin, G. C. Montanari, and C. Ferraro, “PD Source Recognition by Weibull Processing of Pulse-Height

Distributions,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 7, no. 1, pp. 48–58, 2000. [42] J. a. Ardila-Rey, J. M. Martinez-Tarifa, G. Robles, M. Rojas-Moreno, and R. Albarracin, “A Partial

Discharges acquisition and statistical analysis software,” 2012 IEEE Int. Instrum. Meas. Technol. Conf. Proc., pp. 1670–1675, May 2012.

[43] J. a. Ardila-Rey, J. M. Martinez-Tarifa, G. Robles, M. Rojas-Moreno, and R. Albarracin, “A Partial Discharges acquisition and statistical analysis software,” 2012 IEEE Int. Instrum. Meas. Technol. Conf. Proc., pp. 1670–1675, 2012.

[44] M. Cacciari, A. Contin, and G. C. Montanari, “Use of a Mixed-Weibull Distribution for the Identification of PD Phenomena,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 2, no. 4, pp. 614–627, 1995.

[45] A. Contin, G. C. Montanari, A. Cavallini, G. Pasini, and F. Puletti, “Stochastic Analysis of Partial Discharges Signals for Diagnosis of Insulation Systems of AC Rotating Machine Stator Windings,” Ind. Appl. Conf., vol. 1, pp. 359–366, 2000.

[46] M. Cacciari, A. Contin, G. Mazzanti, and G. C. Montanari, “Identification and Separation of Two Concurrent Partial Discharge Phenomena,” Electr. Insul. Dielectr. Phenom., vol. 2, pp. 476 – 479, 1996.

[47] R. Candela and E. R. Sanseverino, “Partial Discharge analysis and parameters identification by continuous Ant colony optimization,” IEEE Congr. Evol. Comput., pp. 9–17, 2008.

[48] P. Y. Chia and A. C. Liew, “Defect classification based on weibull statistic of partial discharge height distribution with wavelet preprocessing,” IEEE Trans. Power Syst. Technol., vol. 2, pp. 1035–1040, 2000.

[49] S. Bahadoorsingh, S. Sambeharry, C. Sharma, and S. M. Rowland, “The Statistical Analysis of Harmonic Influenced Electrical Treeing Partial Discharge Data using the Weibull Distribution,” Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenom., pp. 772–775, 2011.

[50] Y. Han and Y. H. Song, “Using Improved Self-Organizing Map for Partial Discharge Diagnosis of Large Turbogenerators,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 18, no. 3, pp. 392–399, 2003.

Capítulo 2 Dispositivos para Generar Señales Artifíciales de Descargas Parciales 2 DISPOSITIVOS PARA GENERAR SEÑALES ARTIFÍCIALES DE DESCARGAS PARCIALES

Con el fin de generar diferentes tipos de descargas parciales en laboratorio (Off-line) y estudiar su clasificación, en [1] y [2] se plantean dos categorías que agrupan las formas de obtener estas señales, estas son:

Defectos estándar: Son modelos simples de dos electrodos, que representan la forma física de

posibles defectos en dieléctricos, algunos ejemplos son mostrados en la Figura 2.1.

Modelos industriales: En este caso los defectos artificiales son introducidos en equipos eléctricos

(o partes de equipos) de alto voltaje, por ejemplo, inserción de partículas artificiales en sistemas

de aislamiento de gas, perforación de cavidades en cables, aisladores recubiertos de solución

salina, bobinas de alta tensión envejecidas etc. Estos defectos creados artificialmente se acercan

a los casos reales en la industria.

Figura 2.1 Defectos físicos simulados con modelos simples de dos electrodos a) cavidad plana en dieléctrico sólido,

b) descargas superficiales, c) Corona, d) treeing y d) partes flotantes

Basados en los sistemas de defectos estándar mostrados en la Figura 2.1, se plantean tres modelos de electrodos para generar descargas parciales:

Modelo Punta-Semiesfera, para descargas corona

Modelo Barra-Plano, para descargas superficiales

Modelo Planos paralelos, para descargas internas en dieléctrico solido

En este capítulo se presenta la simulación electroestática de los modelos de electrodos con la cual se pretende conocer la distribución y magnitud de la intensidad de campo eléctrico, verificando las

Dispositivos para generar señales artificiales de DP

35

condiciones que permiten obtener descargas parciales e identificar aspectos relevantes que se pueden tener en cuenta en su diseño, también se comparan algunos cálculos teóricos del campo eléctrico con los obtenidos en la simulación.

2.1 ANÁLISIS ELECTROSTÁTICO EN MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS

A continuación se realiza la simulación por medio del Método de Elementos Finitos (MEF) utilizando el módulo de electroestática del software COMSOL Multiphysics.

2.1.1 MODELADO

2.1.1.1 Descripción de la geometría

Las Figuras 2.2, 2.3 y 2.4 muestran las geometrías de los tres modelos simulados junto a una imagen del modelo finalmente construido, sólo fue modelada la mitad de la sección transversal, dado que se usó un modelo axialmente simétrico en dos dimensiones. El modelo Punta-Semiesfera, Figura 2.2, está comprendido por un electrodo en forma de punta cuyo radio de la punta es de 0.6mm y una semiesfera hueca de 25mm de radio. El electrodo punta está a una distancia de 10mm desde el plano de la semiesfera. El modelo punta-semiesfera es propuesto como una fuente conocida de DP para estudios en aislamientos eléctricos, pues genera descargas corona tipo Trichel de amplitud muy constante y alta repetitividad [3]–[7]. El modelo Barra-Plano, Figura 2.3, está compuesto por un electrodo en forma de barra y otro en forma de disco entre los cuales hay un material dieléctrico (lámina de acrílico). Modelos como este son empleados para el estudio de las DP superficiales [8]–[14]. El modelo Planos paralelos, Figura 2.4, consiste de dos electrodos en forma de disco que están sumergidos en aceite mineral, entre los discos hay material dieléctrico (papel) de 3.5mm de espesor. En el centro del material hay una inclusión cilíndrica de aire de altura 1mm y radio 0.595mm. Modelos similares han sido utilizados para el estudio de DP internas [7], [14]–[27]. Todos los electrodos son de material conductor, los modelos barra-plano y punta-semiesfera, a diferencia del modelo planos paralelos, están en un entorno de aire.

Figura 2.2 Modelo Punta-Semiesfera para descargas corona


36

Figura 2.3 Modelo Barra-Plano para descargas parciales superficiales

Figura 2.4 Modelo Planos paralelos para descargas parciales internas

2.1.1.2 Materiales

La Tabla 2-I resume los materiales utilizados y las permitividades relativas asignadas. También se agregan las intensidades de ruptura de los materiales.

Tabla 2-I Permitividades de los materiales utilizados en la simulación por MEF [28]–[31]

Material Permitividad Relativa 𝜺𝒓

Intensidad de ruptura dieléctrica [kV/mm]

Aire 1.0005 31

Acrílico 3.5 30

Papel Nomex 2.7 34

Aceite mineral 2.2 15

Conductor 1 -

1 A temperatura ambiente, en 1 atm de presión y baja humedad


37

2.1.1.3 Mallaje

En la Tabla 2-II se presentan las principales características de la malla de los modelos simulados.

Tabla 2-II Características de la malla para cada modelo

Modelo Punta-semiesfera

Modelo Barra-Plano

Modelo Planos paralelos

Tipo de malla Triangular Triangular Triangular

Número de elementos 1049 1758 42382

Máximo tamaño de los elementos

18.4mm 16.8mm 10.1mm

Mínimo tamaño de los elementos

0.0825mm 0.075mm 0.045mm

La Figura 2.5 muestra el mallaje para cada modelo.

Figura 2.5 Mallaje de los modelos a) Punta–Semiesfera b) Barra-Plano y c) Planos paralelos

2.1.1.4 Condiciones de frontera

Como frontera se utilizaron en cada modelo geometrías rectangulares con condiciones de carga cero. Para cada modelo Punta–Semiesfera, Barra-Plano y Planos paralelos; el electrodo de punta, el de barra y el electrodo disco superior, respectivamente, fueron asignados como terminal donde se aplica una tensión del orden de kV, mientras que los electrodos opuestos en cada modelo fueron asignados a tierra (0V). 2.1.2 RESULTADOS

2.1.2.1 Modelo Punta-semiesfera

El voltaje aplicado al electrodo de punta es 4kV y el electrodo semiesférico está a tierra. La Figura 2.6 muestra la distribución de campo eléctrico en el modelo, donde se observa como el campo eléctrico se concentra en la periferia de la punta, alcanzando un valor máximo de 3.40kV/mm y decayendo a medida que se aleja de la punta.


38

Figura 2.6 Distribución de la intensidad de campo eléctrico en el modelo Punta-Semiesfera

La región alrededor de la punta en donde se alcanza la intensidad dieléctrica de ruptura del gas, es llamada región de ionización [32]. Al aparecer un electrón libre en esta región se inicia el proceso de ionización por colisión [33]. Los electrodos pueden ser aproximados como dos esferas concéntricas de radio 𝑟 (de la punta) y 𝑅 (de la semiesfera). El aire alrededor de la punta romperá sobre una distancia 𝑑 (región de ionización), como se ilustra en la Figura 2.7, si el voltaje a través de esta distancia d excede el voltaje

de ruptura bV dado por la curva de Paschen. Para el caso 𝑅 ≫ 𝑟 se puede demostrar que la relación

entre el voltaje de inicio o ignición (donde aparecen las primeras descargas) iV y el voltaje de

ruptura bV del aire alrededor de la punta es [34]:

bi Vd

rV

1 (2.1)

El radio de la semiesfera 𝑅 tendrá poco efecto en el voltaje de inicio, por lo que no se incluye en la ecuación (2.1).

Figura 2.7 Ruptura del aire alrededor de la punta sobre una distancia d

La intensidad de campo eléctrico a lo largo del eje entre los electrodos puede ser aproximado por [12]:


39

sr

r

s

VE

2

2

1

4ln

2)(

(2.2)

Donde es la distancia desde la punta, V la tensión aplicada, 𝑠 es la distancia entre los electrodos

y 𝑟 es el radio de la punta. Cuando la distancia 0 , se obtiene la intensidad de campo eléctrico

máxima [35][36]:

rr

s

VE

4ln

2max

(2.3)

Reemplazando 𝑉= 4kV, 𝑠 = 10mm y 𝑟 = 0.6mm en la ecuación (2.2) se obtiene

106.02

905.1)(

2

E

[kV/mm] (2.4)

Y cuando =0, se tiene una intensidad de campo máxima maxE 3.17kV/mm, valor cercano a los

3.40kV/mm obtenidos en la simulación. Este valor es superior a la intensidad de ruptura dieléctrica del aire de 3kV/mm lo que sugiere que la descarga puede presentarse. La Figura 2.8 muestra la comparación, entre los resultados de la simulación y los calculados por la ecuación 2.4, de la intensidad de campo eléctrico a lo largo del eje entre los electrodos. Como se observa los resultados son similares obteniendo un campo eléctrico que cae exponencialmente a medida que se aleja de la punta [37]. La Tabla 2-III muestra la intensidad de campo eléctrico máxima obtenida en la simulación cuando se varían algunos parámetros importantes en el modelo.

Figura 2.8 Intensidad de campo eléctrico a lo largo del eje desde el electrodo punta


40

Tabla 2-III Intensidad de Campo eléctrico máxima con la variación de r, R y V

Parámetro Variado

Intensidad de Campo

eléctrico máxima maxE

[kV/mm]

Radio de la punta r [mm]

V=4kV, R=25mm

0.3 5.72

0.6 3.40

1.2 2.04

Radio de la semiesfera R [mm]

r=0.6mm, V=4kV

12.5 3.12

25 3.40

50 3.26

Voltaje aplicado V [kV]

r=0.6mm, R=25mm

3 2.55

3.5 3.00

4 3.40

Se puede ver que a medida que el radio de la punta es menor el campo eléctrico aumenta y que la variación del campo con el radio de la semiesfera es muy poca, resultado esperado según la ecuación (2.3). También se observa que para magnitudes de tensión mayores a 3.5kV, se supera la intensidad de ruptura del aire de 3kV/mm alrededor de la punta (región de ionización), condición necesaria para que se presenten las primeras descargas parciales. La segunda condición, como ya se ha mencionado, es la aparición del electrón libre, que inicia la avalancha de electrones, en promedio cerca de ocho electrones son producidos en cada centímetro cúbico de aire por segundo, que puede ser debido a la radiación cósmica o la radiación de fondo [33], [38]. El tiempo requerido para que aparezca el electrón libre, una vez alcanzada la intensidad eléctrica de ruptura, es llamado tiempo estadístico [39]. 2.1.2.2 Modelo Barra-plano

El electrodo de barra está sometido a una tensión de 3kV y el electrodo disco a tierra. La Figura 2.9 muestra la distribución de campo eléctrico en el modelo. Se observa que la mayor concentración de campo eléctrico se da en la zona entre el borde de la barra y el material dieléctrico (lamina de acrílico), llegando a un valor máximo de 3.57kV/mm. Dado que este valor es superior a la intensidad de ruptura del aire de 3kV/mm, pueden ocurrir descargas parciales superficiales.

Figura 2.9 Distribución de la intensidad de campo eléctrico en el modelo Barra-Plano


41

También se encontró que el radio de la barra no influye significativamente en la magnitud del campo eléctrico y que la intensidad de ruptura del aire de 3kV/mm se alcanza a partir de aproximadamente 2.5kV, como se muestra en la Tabla 2-IV.

Tabla 2-IV Intensidad del campo eléctrico con la variación de la tensión aplicada

Voltaje aplicado [kV]

Intensidad de Campo

eléctrico máxima maxE

[kV/mm]

2.5 2.98

3 3.57

3.5 4.17

2.1.2.3 Modelo Planos paralelos

En este modelo el electrodo superior está sometido a una tensión de 10kV y el inferior a tierra. La Figura 2.10 muestra la distribución de campo eléctrico en el modelo. Se puede apreciar que el campo eléctrico es uniforme a lo largo del material dieléctrico (papel) entre los electrodos manteniendo una magnitud de 2.76kV/mm, magnitud que no representa ningún problema para la capacidad de campo de ruptura del material (ver Tabla 2-I). La mayor concentración de campo se da dentro de la inclusión alcanzando valores de 4.35kV/mm. Se observan también concentraciones igualmente altas, de hasta 4.16kV/mm, en la frontera entre el borde de los electrodos y el material dieléctrico, pero como el entorno es aceite mineral que suelen tener intensidades dieléctricas de ruptura del orden de 15kV/mm no se darán descargas superficiales, de aquí la necesidad de que los electrodos estén inmersos en un material de alta permitividad. En la simulación se comprobó que si éstos están en entorno de aire, se alcanzan intensidades de 10.48kV/mm en la frontera borde-dieléctrico, lo cual es 2.4 veces mayor que la intensidad de campo máxima dentro de la inclusión y se daría lugar a DP superficiales. De forma similar, y como lo muestra la Figura 2.11, si el borde de los electrodos termina en punta, las concentraciones de campo son altas alcanzando valores de 11.90kV/mm.

Figura 2.10 Distribución de la intensidad de campo eléctrico en el modelo Planos Paralelos


42

Figura 2.11 Comparación de la distribución de campo eléctrico al tener el electrodo disco con (a) borde curvo y (b)

borde en punta

La distribución de campo eléctrico dentro de la inclusión no es uniforme, se define entonces la magnitud 𝐸𝑝𝑟𝑜𝑚, como el promedio entre la intensidad eléctrica mínima y la máxima. En la Tabla

2-V se relaciona el voltaje aplicado a los electrodos y la intensidad de campo promedio dentro de la inclusión, se observa que la intensidad de ruptura del aire se supera aproximadamente a partir de 8.5kV.

Tabla 2-V Intensidad del campo eléctrico promedio dentro de la inclusión cilíndrica con la variación de la tensión aplicada

Voltaje aplicado [kV]

Intensidad de Campo Eléctrico

promE [kV/mm]

8 2.97

8.5 3.03

9 3.35

9.5 3.53

10 3.72

Ahora se estudia el campo eléctrico cuando la inclusión es esférica y de igual radio a la cilíndrica. En la Figura 2.12 se compara la distribución de campo entre la inclusión cilíndrica (altura 1mm y radio 0.595mm) y una esférica de radio 0.595mm, para igual tensión 10kV. En la inclusión esférica el campo es uniforme con un valor de 3.42kV/mm, un poco menor que para la inclusión cilíndrica (𝐸𝑝𝑟𝑜𝑚 = 3.72kV/mm).

El campo eléctrico dentro de una cavidad esférica está definida como [40]:

die

r

rcav EE

21

3

(2.5)

donde:

𝐸𝑑𝑖𝑒: intensidad de campo eléctrico en el material dieléctrico sólido 𝜀𝑟: permitividad relativa del material

Para este caso se tiene una magnitud 𝐸𝑑𝑖𝑒= 2.76kV/mm y la permitividad relativa asignada al papel es 2.7, así, utilizando la ecuación (2.5) se obtiene que el campo eléctrico dentro de la cavidad es 𝐸𝑐𝑎𝑣=3.49kV/mm, similar al obtenido en la simulación.


43

Figura 2.12 Comparación de la distribución de campo eléctrico al tener una inclusión (a) cilíndrica y (b) esférica

Los electrodos finalmente construidos se hicieron en bronce fosforoso, fijados a cajas de acrílico. Para obtener la inclusión en el modelo planos paralelos, se utilizaron 14 láminas de papel NOMEX de 0.25mm de espesor apiladas en configuración 5-4-5, es decir, que las 4 láminas del centro fueron perforadas con broca de 3/64”, las láminas son comprimidas por la presión del electrodo superior. Los planos de diseño se muestran en el anexo B.

2.2 CONCLUSIONES

En el modelo Punta-semiesfera (descargas corona), el campo eléctrico se concentra alrededor

de la curvatura de la punta, alcanzando altas magnitudes que superan la intensidad de ruptura

del aire (a partir de 3.5kV). La magnitud del campo eléctrico depende en gran medida del radio

de la punta, a medida que el radio de la punta es menor el campo eléctrico aumenta; en contraste

el radio de la semiesfera tiene poca influencia. A medida que se recorre la distancia por el eje

desde la punta el campo eléctrico cae exponencialmente, el resultado teórico es similar al

simulado.

En el modelo Barra-plano (DP superficiales) la mayor concentración de campo eléctrico se da

entre el borde de la barra y el material dieléctrico. La intensidad de ruptura del aire de 3kV/mm

se alcanza a partir de aproximadamente 2.5kV. El radio de la barra no influye significativamente

en la magnitud del campo eléctrico.

Para el modelo planos paralelos (DP internas) se evidencia que la mayor concentración de campo

eléctrico sucede en la inclusión de aire, la intensidad de ruptura del aire se supera

aproximadamente a partir de 8.5kV. Se observó también que es necesario tener los electrodos

sumergidos en aceite mineral y que éstos se han de bordes curvos, de lo contrario aparecerían

intensidades de campo, entre el borde del electrodo y el material dieléctrico, mayores (más del

doble) a las obtenidas en la inclusión de aire, lo que propicia la aparición de DP superficiales.

Cuando la inclusión es esférica el campo en el interior es uniforme, el cálculo del campo eléctrico

teórico y simulado es similar.

Las altas concentraciones de campo eléctrico en cada modelo alcanzan fácilmente la intensidad

de ruptura del aire, condición apropiada para que sucedan descargas parciales, teniendo en


44

cuenta que la segunda condición es que exista un electrón libre que inicie la avalancha de

electrones.

2.3 REFERENCIAS

[1] A. Krivda, “Recognition of discharges: Discrimination ang Classification,” 1995. [2] F. H. Kreuger, E. Gulski, and a. Krivda, “Classification of partial discharges,” IEEE Trans. Electr. Insul., vol.

28, no. 6, pp. 917–931, 1993. [3] W. K. Hogg and C. A. Walley, “An assessment of the point-hemisphere discharge gap as a partial

discharge reference,” J. Sci. Instrum., vol. 43, no. 1, pp. 11–15, 1966. [4] F. Kreuger, Partial discharge detection in high-voltage equipment. 1989. [5] G. W. Trichel, “The mechanism of the negative point to plane corona near onset,” Phys. Rev., vol. 54,

no. 12, pp. 1078–1084, 1938. [6] M. Sanchez, “Diseño de un sistema de adquisición y análisis de datos para la prueba de descargas

parciales,” Universidad del Valle, 2006. [7] K. Lai, “Application of data mining techniques for characterisation and recognition of partial discharge,”

University of New South Wales, 2010. [8] M. Cacciari, A. Contin, G. Mazzanti, and G. C. Montanari, “Identification and Separation of Two

Concurrent Partial Discharge Phenomena,” Electr. Insul. Dielectr. Phenom., vol. 2, pp. 476 – 479, 1996. [9] E. Gulski and F. H. Kreuger, “Recognition of discharge sources using statistical tools,” Prop. Appl.

Dielectr. Mater. Proc. 3rd Int. Conf., vol. 1, pp. 39–42, 1991. [10] E. Gulski and F. H. Kreuger, “Computer-aided recognition of Discharge Sources,” IEEE Trans. Dielectr.

Electr. Insul., vol. 27, no. 1, pp. 82–92, 1992. [11] T. Okamoto, N. Hozumi, and T. Imajo, “Partial discharge pattern recognition for four kinds of electrode

systems,” Conf. Rec. 1992 IEEE Int. Symp. Electr. Insul., pp. 375–378, 1992. [12] B. Florkowska and R. Wlodek, “Pulse height analysis of partial discharges in air,” IEEE Trans. Electr.

Insul., vol. 28, no. 6, pp. 932–940, 1993. [13] J. H. Lee, T. Okamoto, and C. W. Yi, “Classification of PD patterns from multiple defects,” Proc. 6th Int.

Conf. Prop. Appl. Dielectr. Mater. (Cat. No.00CH36347), vol. 1, pp. 463–465, 2000. [14] L. Hao and P. L. Lewin, “Partial discharge source discrimination using a support vector machine,” IEEE

Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 17, no. 1, pp. 189–197, 2010. [15] T. Okamoto and T. Tanaka, “Partial discharge pattern recognition for three kinds of model electrodes

with a neural network,” IEE Proc. - Sci. Meas. Technol., vol. 142, no. 1, p. 75, 1995. [16] S. Tsuru, M. Nakamura, K. Funaki, M. Iwakuma, J. Suehiro, and M. Hara, “Partial discharge

characteristics in artificial air-filled voids immersed in liquid nitrogen,” Proc. 5th Int. Conf. Prop. Appl. Dielectr. Mater., vol. 1, pp. 228–231, 1997.

[17] R. S. Nema and B. Ramachandra, “Characterisaticin of Partial Disccharge Pulses in Artificial Voids in Polypropylene Films Used in Capacitors,” IEEE Int. Symp. Electr. Insul., pp. 517–520, 1996.

[18] M. Ren, M. Dong, Z. Ren, H. D. Peng, and A. C. Qiu, “Transient earth voltage measurement in PD detection of artificial defect models in SF 6,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 40, no. 8, pp. 2002–2008, 2012.

[19] M. A. Abdallah, “Partial discharge pulses in artificial voids in XLPE - matireal used in cables insulation,” High Volt. Eng. 1999 Elev. Int. Symp. (Conf. Publ. No. 467), no. 467, pp. 2–5, 1999.

[20] H. Okamoto, M. Kanazashi, and T. Tanaka, “Deterioration of insulating materials by internal discharge,” IEEE Trans. Power Appar. Syst., no. 1, pp. 166–177, 1977.

[21] J. H. Mason, “The deterioration and breakdown of dielectrics resulting from internal discharges,” Proc. IEE - Part I Gen., vol. 98, no. 109, pp. 44–59, 1951.

[22] V. Kanas, “Condition Assessment of the Insulation of On-Load Tap Changers by Partial Discharge Measurements,” Delf University of Technology, 2013.

[23] J. a. Ardila-Rey, J. M. Martinez-Tarifa, G. Robles, M. Rojas-Moreno, and R. Albarracin, “A Partial Discharges acquisition and statistical analysis software,” 2012 IEEE Int. Instrum. Meas. Technol. Conf. Proc., pp. 1670–1675, May 2012.


45

[24] R. Albarracin, “Medida de descargas parciales en radiofrecuencia,” Carlos III de Madrid, 2014. [25] Z. Long, “Air-Gap Partial Discharge Development Stage Recognition for Power Transformer Insulation

Monitoring Considering Effect of Cavity Size,” 2014. [26] C. Forssén, “Partial discharges in cylindrical cavities at variable frequency of the applied voltage,” KTH

Royal Institute of Technology, 2005. [27] C. Forssén and H. Edin, “Modeling of a discharging cavity in a dielectric material exposed to high electric

fields,” Proc. FEMLAB Conf. Stock. Sweden, pp. 147–152, 2005. [28] OADBY, Acrylic Sheet - Technical Data Sheet. [29] KREMEL GROUP, Technical data Trivoltherm N. [30] DUPONT CORPORATION, Technical Data Sheet Nomex ® Paper Type 410. [31] W. Hayt and J. Buck, Teoría Electromagnética, Séptima ed. Mexico DF: McGraw-Hill Interamericana,

2006. [32] R. Tirumala, “Corona Discharges in Asymmetric Electric Fields and Its Impact on Ionic Wind

Generation,” University of Notre Dame, 2013. [33] R. Bartnikas and E. Mcmahon, Engineering Dielectrics Corona Measurement and Interpretation. ASTM,

1979. [34] F. H. Kreuger, Industrial high voltage. Delft University Press, 1991. [35] J. H. Mason, “Breakdown of solid dielectrics in divergent fields,” Proc. IEE Part C Monogr., vol. 102, no.

2, pp. 254–263, 1955. [36] M. G. Danikas and F. K. Prionistis, “Detection and recording of partial discharges below the so-called

inception voltage,” Conf. Rec. IEEE Int. Symp. Electr. Insul., vol. 17, no. April, pp. 607–610, 2008. [37] N. G. Trinh, “Particle Discharge XIX: Discharge in Air Part 1: Physical Mechanisms,” IEEEElectrical Insul.

Mag., vol. 11, no. 2, pp. 23–29, 1995. [38] T. N. Giao and J. B. Jordan, “Modes of Corona Discharges in Air,” IEEE Trans. Power Appar. Syst., vol.

PAS-87, no. 5, pp. 1207–1215, 1968. [39] H. A. Illias, “Measurement and simulation of partial discharges within a spherical cavity in a solid

dielectric material,” University of Southampton, 2011. [40] F. Gutfleisch and L. Niemeyer, “Measurement and simulation of PD in epoxy voids,” IEEE Trans. Dielectr.

Electr. Insul., vol. 2, no. 5, pp. 729–743, 1995.

Capítulo 3 Sistema de Medición y Adquisición de Descargas Parciales Implementado 3 SISTEMA DE MEDICIÓN Y ADQUISICIÓN DE DESCARGAS PARCIALES IMPLEMENTADO

En este capítulo se presenta el circuito de medición implementado, las señales serán medidas por detección eléctrica utilizando un capacitor de acoplamiento y su cuadripolo. Las características más importantes de cada elemento del circuito de medición son abordadas, asimismo se muestran las especificaciones del módulo de adquisición utilizado.

3.1 CIRCUITO DE MEDICIÓN

Se definió para este proyecto que se utilizará el circuito de medición indirecto, los pulsos eléctricos de la señal de DP son medidos por medio de un acoplamiento capacitivo y la adquisición de la información se realiza por medio de la tarjeta de adquisición de datos NI 5133. La tensión de prueba se obtiene de un transformador de potencia GENERAL ELECTRIC de 62.7kVA y relación 480V/65.3kV junto con la implementación de un regulador de inducción que permite variar la tensión, estos equipos están implementados en el Laboratorio de Ensayo de Bobinas de la Universidad del Valle desarrollado por el grupo de investigación CONVERGIA [1], [2]. Las figuras 3.1 y 3.2 muestran el diagrama esquemático del circuito de medición y su montaje en el laboratorio, respectivamente. El capacitor utilizado en el proyecto de referencia Techimp TCE17.5 tiene una capacitancia de 1000pF y voltaje nominal de 17.5kV. El capacitor se conecta al cuadripolo de referencia Techimp PQ éste contiene la impedancia de medida que facilita la circulación de la DP y actúa como un divisor de tensión protegiendo al sistema de medida, la señal de alterna es atenuada con una relación de 1:1000. La Figura 3.3 muestra el capacitor y cuadripolo utilizados. El cuadripolo posee además un filtro pasa alto y uno paso bajo para separar las señales de DP de la de sincronismo, el diagrama esquemático del cuadripolo se observa en la Figura 3.4. En las pruebas de validación realizadas en el proyecto también se utilizó este capacitor con el equipo PDCheck (tecnología de Techimp). Además, se utilizó el equipo TMS-6141 con el capacitor de referencia PDC17.5-1000 de 1000pF, 17.5V y relación 1:1500 (tecnología de Sparks Instuments), este capacitor incorpora el cuadripolo con un diseño especial de impedancia de medida que permite transmitir las señales de DP y de sincronismo en un mismo cable al equipo.

Sistema de medición y adquisición

47

Figura 3.1 Circuito de medición

Figura 3.2 Montaje del circuito de medición en el laboratorio

Figura 3.3 Capacitor de acoplamiento y cuadripolo

Figura 3.4 Diagrama esquemático del cuadripolo [4]

La Figura 3.5 muestra la respuesta en frecuencia de los capacitores, también se ha adicionado un capacitor de la marca Power diagnostix. Se puede apreciar que las frecuencias de corte inferior (valor para el cual se alcanza la relación Vout/Vin = 0.7) son 60kHz, 130kHz y 430kHz, para Sparks Instrumets, Power diagnostix y Techimp respectivamente. Las ganancias de los capacitores (donde


48

la respuesta es más plana) se encuentran entren 0.8 y 0.9, y para frecuencias mayores a 4MHz las señales se amplifica.

Figura 3.5 Respuesta en frecuencia de capacitores de acoplamiento (10kHz a 5MHz)

3.2 MÓDULO DE ADQUISICIÓN

Para el sistema de adquisición se definió utilizar un sistema basado en una tarjeta de adquisición de datos, en estos la computadora con software programable controla la operación del dispositivo de adquisición. Esta configuración, aprovecha la potencia del procesamiento, el almacenamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las computadoras estándar, donde el dispositivo de adquisición se reserva sólo para digitalizar las señales analógicas que vayan emitiendo los sensores del sistema. Teniendo en cuenta el tipo de señal que se va a medir se definió que se utilizará la tarjeta NI 5133 de National Instruments (NI) que se muestra en la Figura 3.6. En otros trabajos para el análisis de DP se han utilizado tarjetas similares [14]–[21]. Las principales especificaciones de la tarjeta se pueden observar en la Tabla 3-I y en la Figura 3.7 se muestra su respuesta en frecuencia. En el anexo B amplia información sobre las características de las tarjetas de adquisición. La tarjeta tiene una frecuencia de muestreo máxima de 100MS/s con una ancho de banda de 50MHz, pero hay que señalar que en la pruebas se adquirió sólo a una frecuencia de muestreo de 20MS/s, lo que sería un ancho de banda máximo de 10MHz, esto se amplía en el capítulo 5. La tarjeta tiene dos canales, el primero será utilizado para la señal de sincronismo y el segundo para la señal de DP, es energizada por el mismo puerto USB 2.0 que adquiere los datos la cual la hace ideal para aplicaciones portátiles y de laboratorio. La conexión del sensor a la tarjeta se hace por medio de cable coaxial RG59/U de 50Ω con terminales tipo BNC. Dado que la tarjeta tiene un límite de voltaje de entrada de 40Vpp, o 14.14Vrms, esto representa, dada la relación de atenuación 1:1000, una tensión máxima de prueba de 14.14kV. Una de las ventajas de National Instruments es su facilidad de comunicación hardware-software, ya que todos sus equipos se integran con el software de desarrollo LabVIEW, el corazón de la plataforma de diseño de National Instruments. El computador utilizado con la tarjeta tiene un procesador Intel Core i7 de 3.4GHz, memoria RAM de 8GB, 64bits y disco duro de 500GB. Dado que la tarjeta de adquisición utilizada (NI 5133) tiene únicamente impedancia de entrada de 1MΩ en paralelo con una capacitancia de 15pF, se acoplo a su entrada una resistencia de 50Ω, para obtener un acoplamiento de impedancias adecuado que evite reflexiones de los pulsos de descarga parcial, en el Anexo C se amplía esta información.


49

Figura 3.6 Tarjeta de adquisición de datos NI 5133

Tabla 3-I Principales especificaciones de la tarjeta NI 5133

Canales (muestreo simultáneo)

2 (más un canal de disparo externo)

Frecuencia de muestreo 100MS/s

Resolución 8 bits

Ancho de banda 50MHz

Rango de entrada 40mVpp – 40Vpp

Impedancia de entrada 1MΩ

Conexión USB 2.0

Alimentación USB 2.0

Memoria 32MB

Dimensiones 18.49×3.38×10.29 cm

Figura 3.7 Respuesta en frecuencia de la tarjeta de adquisición NI 5133 [22]

3.3 CONCLUSIONES

El sistema de medición y adquisición implementado es no convencional cuyas mediciones fueron realizadas en el rango de alta frecuencia (HF, High Frequency). Se utiliza un circuito de medición indirecto donde los pulsos son detectados por un capacitor de acoplamiento de 1000pF y 17.5V, el cuál incorpora un cuadripolo que permite la separación de las señales de alta frecuencia de la de sincronismo, esta última es atenuada con una relación de 1:1000. El capacitor utilizado tiene una frecuencia de corte inferior de 430kHz y una ganancia de 0.9. Las señales son adquiridas por la tarjeta de adquisición de datos NI 5133 a una razón de muestreo de 20MS/s, para un ancho de


50

banda máximo de 10MHz. En la entrada de la tarjeta se realizó un acople de impedancias a 50Ω para evitar reflexiones de las señales de alta frecuencia. La tensión máxima de prueba es de 14.14kV. 3.4 REFERENCIAS

[1] L. C. Castro Heredia, “Diagnóstico del aislamiento principal de bobinas estatóricas sometidas a esfuerzos termoeléctricos en laboratorio,” Universidad del Valle, 2014.

[2] C. Ramos and F. Ulloa, “Implementación de un banco de pruebas de envejecimiento acelerado de bobinas estatóricas de grandes generadores eléctricos,” Universidad del Valle, 2013.

[3] A. R. Mor, “Nueva metodología de la medida de descargas parciales en cables de alta tensión,” Universitat Politècnica de València, 2012.

[4] “DATA SHEET Quadrupole TECHIMP PQ (1/2nb/2wb/3),” 2007. [5] R. Sedlacek, J. Vedral, and J. Tomlain, “A wideband partial discharge meter using FPGA,” 2013 9th IEEE

Int. Symp. Diagnostics Electr. Mach. Power Electron. Drives, pp. 396–401, Aug. 2013. [6] T. Nguyen, K. Chandan, B. Ahmad, and Y. Siah, “FPGA implementation of neural network classifier for

partial discharge time resolved data from magnetic probe,” pp. 451–455, 2011. [7] C. K. Chakrabarty, A. K. Ramasamy, and A. B. a. Ghani, “Matlab and VHDL model of real time partial

discharge detection using FPGA technology,” 2011 IEEE Conf. Open Syst., pp. 389–394, Sep. 2011. [8] Emilliano, C. K. Chakrabarty, A. Basri, and A. K. Ramasamy, “Online partial discharge counting system

using microcontroller PIC 16F877A and FPGA technology,” IEEE Student Conf. Res. Dev., pp. 314–319, 2010.

[9] W. Koltunowicz and R. Plath, “Synchronous multi-channel PD measurements,” IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 15, no. 6, pp. 1715–1723, 2008.

[10] Y. Cheng, X. Hu, X. Chen, P. Li, W. X. Road, and S. Province, “Partial Discharge On-line Monitoring System Based on FPGA,” pp. 486–489, 2005.

[11] C. Huang and W. Yu, “PD On-line Monitoring System for Large Turbine Generators,” pp. 23–26, 2002. [12] C. Zhou, I. J. Kemp, and C. Road, “DSP Based Partial Discharge Characterisation by Wavelet Analysis,” no.

2, 2000. [13] IEEE1434, IEEE Std1434 Trial-Use Guide to the Measurement of Partial Discharges. 2000. [14] A. Jambula, V. Nimbole, V. Lakdawala, and P. Basappa, “Development of a Digital Acquisition System for

Partial Discharge Measurement and Analyses,” no. June, pp. 60–63, 2009. [15] P. Basappa, V. Lakdawala, K. Agarwal, G. A. Gerdin, and G. Shivaraj, “A Novel system for Generation,

Acquisition and Analyses of Partial Discharges,” IEEE, no. June, pp. 166–169, 2011. [16] G. Gerdin, K. Agarwal, P. Basappa, and V. Lakdawala, “Implementation of Statistical Capabilities into a

Digital Acquisition and Processing System for Partial Discharges,” Electr. Insul. Dielectr. Phenom., pp. 454–457, 2004.

[17] S. Das, “Studies on partial discharge detection using optical sensors,” Jadavpur University, 2010. [18] J. a. Ardila-Rey, J. M. Martinez-Tarifa, G. Robles, M. Rojas-Moreno, and R. Albarracin, “A Partial

Discharges acquisition and statistical analysis software,” 2012 IEEE Int. Instrum. Meas. Technol. Conf. Proc., pp. 1670–1675, May 2012.

[19] J. Alfredo, A. Rey, U. Carlos, I. I. I. De Madrid, and E. Reto, “Integración de una tarjeta NI PCI-5152 con una tarjeta ARDUINO MEGA 2560 para el desarrollo de una antena móvil aplicada en la adquisición y localización de fuentes de Descargas Parciales . " Gracias al software de diseño LabVIEW y al uso de las herramien,” pp. 2–7.

[20] I. B. Núñez, J. E. P. Román, and J. Rubio, “Multichannel Acquisition System and Denoising for the Detection and Location of Partial Discharges using Acoustic Emissions,” 2010.

[21] B. Lozano Avilés and J. A. Ardila Rey, “Diseño de software off-line para el análisis estadístico de descargas parciales,” Universidad Carlos III de Madrid, 2013.

[22] National Instruments “Device specifications NI 5133”.

Capítulo 4 Aplicación Software para el Análisis de Descargas Parciales 4 APLICACIÓN SOFTWARE PARA EL ANÁLISIS DE DESCARGAS PARCIALES

En este capítulo se presenta el desarrollo de una aplicación software para el análisis de descargas parciales. La aplicación nombrada MAPD (por sus siglas en inglés Measurement and Analysis of Partial Discharges) fue desarrollada en la plataforma LabVIEW (versión 13.0f2 64-bit), la aplicación permite:

Controlar la tarjeta de adquisición de datos

Visualizar las señales medidas a modo de osciloscopio en tiempo real (osciloscopio virtual)

Visualizar la forma de onda de un pulso individual de DP

Medir los parámetros de un pulso y la magnitud de la tensión aplicada al objeto de prueba

Obtener el espectro de frecuencias de un pulso

Conteo del número de pulsos detectados

Obtener el diagrama de fase resuelta (2D y 3D)

Visualizar el gráfico de Altura de Pulsos

Calcular los parámetros 𝛼 y 𝛽 de la distribución de Weibull

Calcular los parámetros 𝑄𝑚 y NQN

Calcular las magnitudes máxima, mínima y promedio de los pulsos detectados

Guardar los gráficos y señales adquiridas (formato de imagen .JPEG y Excel .xlsx.)

Las mediciones de los pulsos de DP se dan en volts. Las señales son mostradas en tiempo real en el osciloscopio virtual y una vez el usuario configure los parámetros de adquisición puede procesar la información y obtener los resultados. Los parámetros de adquisición son: Valor de referencia (rango de magnitud en el que están las señales de DP), umbral (o threshold), tiempo de adquisición de las señales y tiempo de adquisición del pulso. Para entender el funcionamiento del programa desde el código de programación se presentan a continuación los diagramas de la Figura 4.1 y Figura 4.2 que serán estudiados a lo largo del capítulo.

Aplicación software para el análisis de DP

52

Figura 4.1 Diagrama general del funcionamiento de la aplicación

Figura 4.2 Diagrama del funcionamiento de la aplicación


4.1 ADQUISICIÓN

El bloque controlador NI Scope Express permite visualizar las señales adquiridas y a la vez conectarse directamente con otros bloques de programación para realizar el procesamiento digital de las señales. Este bloque es un vi (virtual instrument) predefinido de LabVIEW que contiene varios vi’s que permiten controlar diferentes parámetros de la tarjeta. El código de programación (o diagrama de bloques) para la adquisición y visualización de las señales se muestra en la Figura 4.3.

Figura 4.3 Diagrama de bloques para la adquisición y visualización de las señales

A la salida del bloque NIScope se obtendrán los vectores de datos que contienen los valores de magnitud de la señal adquirida para cada canal, el tamaño del vector es el número de muestras de la señal. Cada elemento del vector es asociado a un número de índice, el primer elemento será el índice número cero, el segundo el índice número uno y así sucesivamente. El número de muestras se asocia con el tiempo mediante la variable dt que es el intervalo de tiempo que hay entre índices (o entre muestras). En la mayor parte del código de programación de la aplicación desarrollada las señales no son tratadas en tiempo sino en muestras. Los principales parámetros que se configuraron en el controlador NI Scope son: • Frecuencia de muestreo • Número de muestras • Rango vertical canal 1 (señal DP) • Rango vertical canal 0 = 40Vpp • Fuente del trigger = Canal 0 (señal de sincronismo) • Tipo de trigger = flanco de subida El canal 0 fue configurado para la señal sinusoidal de entrada (señal de red 60Hz) conocida normalmente como señal de sincronismo y el canal 1 para los pulsos de descargas parciales, ambas señales son adquiridas a la misma razón de muestreo. La frecuencia de muestreo 𝑓𝑚𝑢𝑒𝑠 en MS/s y el tiempo de adquisición de las señales 𝑡 en segundos son definidos por el usuario, éstos se relacionan con el número de muestras 𝑁𝑚 según la ecuación (4.1):

muesm ftN (4.1)


54

Hay que tener presente que las señales son adquiridas en su totalidad, esto permite que se han visualizadas a modo de osciloscopio, aunque se tiene una elevada cantidad de muestras, que LabVIEW almacena y debe procesar durante el análisis de la información. Esto normalmente satura la memoria RAM del computador, para ello la aplicación desarrollada realiza la adquisición y procesamiento en paquetes, como lo representa la Figura 4.4.

Figura 4.4 Representación de la adquisición y procesamiento de las señales por paquetes. Señal azul (pulsos de DP) y

señal roja (señal de sincronismo)

El número de paquetes depende del número de muestras 𝑁𝑚 como lo muestra la ecuación (4.2):

m

NpaquetesNo m.

(4.2)

donde:

m = número máximo de muestras para cada paquete. El valor de m fue definido en 5MS. Este valor fue determinado mediante pruebas del uso de la memoria en la aplicación, si el valor es muy grande puede ser más lento el procesamiento y llegar a saturar la memoria RAM del computador y si es muy pequeño la información adquirida por paquete puede ser muy pequeña y algunos vi´s no funcionarían bien. El rango vertical 𝑉𝑟𝑒𝑓 (o valor de referencia) en volts es el Vpp máximo en el que se encuentran las

señales que se están midiendo, éste es también el valor de referencia para obtener el diagrama de fase resuelta donde se utiliza una matriz y se hace necesario definir un valor máximo de voltaje como referencia (ver sección 4.4). El valor del rango vertical determina la resolución de la medida, como lo expresa la ecuación (4.3):

𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 =

𝑉𝑟𝑒𝑓

256 (4.3)

Teniendo en cuenta que la tarjeta NI5133 es de 8 bits, y así 28 = 256 niveles de voltaje discretos. Si se selecciona una magnitud de rango vertical por debajo del Vpp de la señal de entrada, la tarjeta medirá mal, obteniéndose valores inferiores a los verdaderos. El rango vertical del canal 0 (señal de sincronismo) se predefinió en 40Vpp, esto corresponde al voltaje máximo de entrada de la tarjeta. Para el rango vertical del canal 1 (pulsos de DP) es necesario especificar el valor según la magnitud de las descargas que se presenten.


55

La tensión 𝑉𝑟𝑚𝑠 de la señal de sincronismo o tensión aplicada al objeto de prueba es multiplicada por la relación de transformación del circuito de medición para obtener la magnitud en el lado de alta tensión, por lo que el usuario debe especificar dicha relación. 4.2 OBTENCIÓN DEL VOLTAJE PICO Y EL ÁNGULO DE FASE

La aplicación desarrollada identifica el voltaje pico 𝑉𝑝 de cada pulso y su correspondiente ángulo de

fase 𝜑 con respecto a la señal de sincronismo. El vi encargado de la detección de la magnitud pico es el Waveform peak detection, que también entrega el índice (o número de muestra) donde ocurre dicho valor pico para posteriormente obtener el ángulo de fase. Este bloque primero identifica todos los valores pico (positivos y negativos) de un pulso, luego los compara en valor absoluto y obtiene el mayor de ellos, la Figura 4.5 ilustra la detección de un pulso y en la Figura 4.6 se observa el código de programación implementado.

Figura 4.5 Detección del voltaje pico y su correspondiente índice para un pulso de DP

Figura 4.6 Diagrama de bloques para la detección del voltaje pico y su índice

Una forma de mitigar la presencia de ruido de fondo (o ruido blanco) y facilitar la identificación del voltaje pico es elevar la señal a una potencia n [1]. Por lo que, la señal de DP es elevada al cuadrado, el resultado se puede observar en la Figura 4.7. Dado que los pulsos de DP son de mayor magnitud que el ruido de fondo, al elevarlo al cuadrado dichas señales se diferencian aún más, facilitando la detección de los pulsos de DP. Hay que mencionar que cuando se elevan al cuadrado los pulsos, se sigue conservando su polaridad original con la utilización de un vi que mantiene su signo; también tras la detección del valor pico, se obtiene la raíz cuadrada para obtener la magnitud original.


56

a) b) Figura 4.7 a) Señal de descargas parciales original y b) Señal elevada al cuadrado

El ángulo de fase en grados para cada pulso se obtiene mediante la ecuación (4.4):

m

iiiT

ZI

360

)( (4.4)

donde:

𝜑𝑖: vector de ángulos de fase 𝐼𝑖: vector de índices de los 𝑉𝑝 de los pulsos de dp

𝑍𝑖: vector de índices de los cruces por ceros positivos de la señal de sincronismo 𝑇𝑚: período de la señal de sincronismo en número de muestras La diferencia (𝐼𝑖 − 𝑍𝑖) es el índice del pulso de DP relativo a un periodo de la señal de sincronismo. El periodo en número de muestras se obtiene de la ecuación (4.5):

dt

TTm

(4.5)

donde:

𝑇: período de la señal de sincronismo en ms 𝑑𝑡: intervalo de tiempo entre índices (o entre muestras) El 𝑑𝑡 dependerá de la frecuencia de muestreo con la que se esté adquiriendo y del tiempo de adquisición. Como ejemplo, se tienen las señales adquiridas de la Figura 4.8 donde se observa una señal sinusoidal que tiene un período 𝑇𝑚 = 1000 muestras (en el tiempo 16.667ms), el índice donde se da el valor pico del pulso p6 es 𝐼6 = 2896 y el cruce por cero positivo del tercer ciclo es 𝑍2 = 2000, por lo tanto el ángulo de fase de dicho pulso será:

6.3221000

360)20002896(6


57

Figura 4.8 Determinación del ángulo de fase de un pulso de DP

Dado que la señal de sincronismo es muestreada a la misma razón que la señal de DP, se diezma, facilitando la detección de los cruces por cero positivos (o en flanco de subida). El diezmado reduce el número de muestras de la señal según la ecuación (4.6):

d

md

F

NN (4.6)

donde:

𝑁𝑑: número de muestras de la señal diezmada 𝑁𝑚: número de muestras señal original 𝐹𝑑: factor de diezmado A la señal diezmada se le detectan los cruces por cero positivos, y después estos son multiplicados por el factor de diezmado para así obtener los cruces de la señal original que son los que se utilizan. El diezmado se realiza en función del periodo utilizando la ecuación (4.7):

500

md

TF

(4.7)

Así se garantiza que la señal diezmada no tenga más de 500 muestras por período y para 𝑇𝑚 ≤ 500 no se realiza el diezmado.

4.2.1 UMBRAL Y TIEMPO DE ADQUISICIÓN DEL PULSO

Con el fin de detectar adecuadamente el voltaje pico (y ángulo de fase) de los pulsos de DP, durante el procesamiento de las señales se utilizan en combinación dos parámetros ajustables que son: un nivel de voltaje o umbral (threshold) y un tiempo de adquisición para cada pulso (𝑡𝑎𝑝) que son

similares a los conceptos de discriminador de bajo nivel (Low Level Discriminator, LLD) y de tiempo muerto (dead time) [2], [3]. El umbral permite la selección de una amplitud (positiva y negativa) mínima por encima de la cual la señal será procesada, de esta manera se mitiga la presencia de ruido de fondo. No obstante, un nivel de umbral alto puede ignorar pulsos de DP de pequeña magnitud y un nivel de umbral bajo puede detectar erróneamente gran cantidad de ruido como pulsos de DP. Dado el carácter oscilatorio de los pulsos, es necesario tener un tiempo dentro del cual cada pulso sea procesado y evitar varias detecciones para un mismo pulso. Este tiempo de adquisición del pulso es activado cada vez que la señal supere el umbral. Un tiempo de adquisición muy corto puede


58

causar múltiples detecciones de un mismo pulso, mientras que un tiempo muy largo provoca la pérdida de pulsos. La selección del valor del tiempo de adquisición está en relación con la duración del pulso que se mide. La Figura 4.9 muestra los conceptos de umbral y tiempo de adquisición descritos y la Figura 4.11 ilustra su funcionamiento para la detección de los pulsos. En el código de programación se utilizó el vi Get waveform subset que utiliza el umbral y el tiempo de adquisición para obtener la ventana de adquisición del pulso, que es un subconjunto de datos que contienen la forma de onda de un pulso, ya que el bloque recorta la señal de DP desde el momento en que es superado el umbral hasta terminado el tiempo de adquisición y esto lo hace para cada pulso. Luego, el subconjunto de datos llega al bloque Waveform Peak detection, ya antes descrito, que se encarga de detectar la magnitud pico y su correspondiente índice (ángulo de fase). La Figura 4.10 muestra el diagrama de bloques donde se implementan los vi´s descritos.

Figura 4.9 Umbral (threshold) y tiempo de adquisición del pulso

Figura 4.10 Diagrama de bloques para la implementación de los parámetros de umbral y tiempo de adquisición del

pulso


59

Figura 4.11 Funcionamiento de los parámetros de umbral y tiempo de adquisición del pulso.

(Rojo: Señal de DP, Azul: Tiempo de adquisición, Negro: Umbral y Verde: Pico detectado).

4.3 FORMA DE ONDA DE UN PULSO, PARÁMETROS DEL PULSO Y ESPECTRO EN

FRECUENCIA

Dado el umbral y el tiempo de adquisición del pulso, la aplicación permite visualizar la forma de onda de un pulso de DP, medir los parámetros de magnitud y tiempo del pulso y obtener su espectro en frecuencia. También esta propiedad ayuda al usuario a determinar si el tiempo de adquisición del pulso que está especificando es muy corto o muy largo. Esta opción detecta el instante de tiempo del primer pulso que superé 1.5 veces el umbral, nombrado tiempo 𝑡𝑠𝑢. Los tiempos mínimo 𝑡𝑚𝑖𝑛 y máximo 𝑡𝑚𝑎𝑥 para obtener el gráfico están en función del tiempo de adquisición del pulso como lo expresan las ecuaciones (4.8) y (4.9).

𝑡𝑚𝑖𝑛 = 𝑡𝑠𝑢 − 0.2𝑡𝑎𝑝 (4.8)

𝑡𝑚𝑎𝑥 = 1.2𝑡𝑎𝑝 (4.9)

Con estas variables se crea una ventana de adquisición del pulso que va desde el tiempo 𝑡𝑚𝑖𝑛, desde donde se recorta el vector de señal de DP, y cuya duración de la ventana es el tiempo 𝑡𝑚𝑎𝑥. Así se obtiene un subconjunto de datos, que obtiene la forma de onda completa de una pulso de DP.


60

Las magnitudes pico máximo, pico mínimo y pico-pico son obtenidas utilizando el vi Array max & min. Mediante la utilización de dos cursores en la pantalla (C0 y C1) se pueden medir diferencias de voltaje (∆𝑌 = |𝑉𝐶𝑂 − 𝑉𝐶1|) y de tiempo (∆𝑋 = |𝑡𝐶𝑂 − 𝑡𝐶1|) con esto se puede determinar por ejemplo parámetros como el tiempo de subida o el ancho del pulso. Para obtener el espectro en frecuencia, se aplica a la señal la Transformada Rápida de Fourier (FFT) mediante el vi Spectral measurements.

4.4 DIAGRAMA DE FASE RESUELTA

Para realizar el conteo de pulsos de descargas parciales, representados por una magnitud pico y su correspondiente ángulo de fase, se utilizó una matriz de 256x256 como lo ilustra la Figura 4.12. Las filas de la matriz representan las magnitudes discretas de valor pico de los pulsos, desde el valor de referencia −𝑉𝑟𝑒𝑓 hasta +𝑉𝑟𝑒𝑓. Las columnas representan los valores discretos de ángulos de fase

desde 0° a 360°.

Figura 4.12 Matriz utilizada para la obtención del diagrama de fase resuelta

La resolución de magnitud (filas) y ángulo (columnas), están dados por las ecuaciones (4.10) y (4.11):

128Re

ref

mag

Vs

(4.10)

40625.1

256

360Re angs

(4.11)

Hay que recordar que el valor de referencia 𝑉𝑟𝑒𝑓 en volts, se selecciona dependiendo de la magnitud

máxima de las descargas que se estén presentando. Junto con la matriz se crean los vectores de magnitud 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑚𝑎𝑔 y ángulo 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑔 (ejes 𝑦 y 𝑥 para la

gráfica del diagrama de fase resuelta), que contienen los valores discretizados que representan cada fila y columna, estos vectores se obtienen con las ecuaciones (4.12) y (4.13):

𝑉𝑒𝑐𝑡𝑚𝑎𝑔 = 𝑅𝑒𝑠𝑚𝑎𝑔 ∙ 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑖 (4.12)

𝑉𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑔 = 𝑅𝑒𝑠𝑎𝑛𝑔 ∙ 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎𝑖 (4.13)

𝑉𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑔 = [1.406°, 2.812°, 4.218, … ,360°]


61

Donde 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑖 = 1,2,3, . . . ,128 y 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎𝑖 = 1,2,3, … ,256. La matriz es tratada separadamente en submatrices de 128x256, la primera de magnitudes positivas (0 a +𝑉𝑟𝑒𝑓) y la segunda de magnitudes negativas (0 a −𝑉𝑟𝑒𝑓), tras procesar cada submatriz estas

son unidas para tener la matriz general de 256x256. Una vez se tienen los vectores de magnitud 𝑉𝑖 y ángulo 𝜑𝑖, que contienen los voltajes pico y sus correspondientes ángulos de fase, éstos se discretizan al correspondiente índice de fila 𝐼𝑓𝑖𝑙𝑖

y

columna 𝐼𝑐𝑜𝑙𝑖 de la matriz, teniendo en cuenta que la primera fila o columna corresponde al índice

cero, la última columna (256) corresponde al índice 255 y la última fila (128) corresponde al índice 127. Los índices son calculados con las ecuaciones (4.14) y (4.15):

𝐼𝑐𝑜𝑙𝑖

= 𝜑𝑖 ∙255

360°

(4.14)

𝐼𝑓𝑖𝑙𝑖= 𝑉𝑖 ∙

127

𝑉𝑟𝑒𝑓

(4.15)

Como base se utiliza una matriz de ceros 𝑀𝑐𝑒𝑟𝑜𝑠 de 128x256 y mediante un ciclo for se busca la

coordenada (𝐼𝑐𝑜𝑙𝑖, 𝐼𝑓𝑖𝑙𝑖

) en la matriz y se suma uno, como lo expresa la ecuación (4.16):

𝑀𝑐𝑒𝑟𝑜𝑠(𝐼𝑐𝑜𝑙𝑖

, 𝐼𝑓𝑖𝑙𝑖) = 𝑀𝑐𝑒𝑟𝑜𝑠(𝐼𝑐𝑜𝑙𝑖

, 𝐼𝑓𝑖𝑙𝑖) + 1 (4.16)

Para ilustrar el funcionamiento de la matriz se presenta un ejemplo a continuación. Dado un pulso de magnitud 𝑉𝑝 = −986mV, ángulo de fase 𝜑 = 5° y considerando un valor de referencia 𝑉𝑟𝑒𝑓 =

1𝑉, se tiene que

𝐼𝑐𝑜𝑙 = 5° ∙255

360°= 3.54 ≅ 4

𝐼𝑓𝑖𝑙 = 0.986 ∙127

1= 125.22 ≅ 125

La coordenada (4, 125) es ubicada en la matriz y se suma uno al elemento que ya esté allí.

𝑀𝑐𝑒𝑟𝑜𝑠(4, 125) = 𝑀𝑐𝑒𝑟𝑜𝑠(4, 125) + 1 = 0 + 1 = 1

Los vectores que contienen los valores discretos de magnitud y ángulo, según las ecuaciones (4.12) y (4.13), serían: Vector magnitudes = [1, 0.9921,…0…, -0.9921, -1] Vector ángulos = [1.4°, 2.8°,…, 357.2°, 360°] Si de nuevo un pulso se encuentra en la misma coordenada, la magnitud en dicha coordenada aumentaría a dos. La Figura 4.13 muestra la ubicación del pulso en la submatriz y posteriormente en la matriz completa. Cada elemento de la matriz representa un punto en la gráfica, la magnitud del elemento se asocia con una escala de colores.


62

Figura 4.13 Utilización de la matriz para el conteo de pulsos

La señal sinusoidal que se presenta en el gráfico de fase resuelta también es obtenida utilizando la matriz. La señal se obtiene de forma simulada evaluando el vector de ángulos en la función f(x)=sin(x) y se aplica el mismo procedimiento que para los pulsos de DP. La matriz seno consiste de una serie de unos (puntos) que dibujan la forma sinusoidal como lo muestra la Figura 4.13. Esta es una matriz constante que se suma a la matriz de DP al momento de graficar, dicha suma sólo se hace para efecto gráficos y no influye en ningún cálculo. Las gráficas del diagrama de fase resuelta 2D y 3D se realizaron con los vi’s 3D Stem plot y 3D Surface plot respectivamente, estos bloques tienen como variables de entrada la matriz (eje z), el vector de magnitudes (eje y) y el vector de ángulos (eje x), como se observa en la Figura 4.14. Finalmente, en la Figura 4.15 se ilustra un diagrama de fase resuelta obtenido por el software MAPD.

Figura 4.14 Diagrama de bloques para los gráficos del diagrama de fase resuelta


63

Figura 4.15 Diagrama de fase resuelta obtenidos por el software MAPD a) 2D y b) 3D. Las mediciones corresponden a pruebas con el equipo PD Simulator (véase Anexo D).

4.5 CONTEO DE PULSOS

Dada la matriz de DP, el conteo de pulsos se realiza sumando los elementos de la matriz. También se obtienen submatrices para realizar el conteo de partes de la matriz principal, con esto se obtuvieron las variables:

𝑁: Número total de pulsos

𝑁 +: Número de pulsos positivos

𝑁 −: Número de pulsos negativos

𝑁𝑤 +: Número de pulsos por semiciclo positivo

𝑁𝑤 −: Número de pulsos por semiciclo negativo

𝑛: Número total de pulsos por segundo

𝑛 +: Número de pulsos positivos por segundo

𝑛 −: Número de pulsos negativos por segundo Las cantidades 𝑁𝑤 y 𝑛 totales y por polaridad de pulsos, se calculan con el conjunto de ecuaciones (4.17) y (4.18) [4].

𝑁𝑤 =𝑁

𝑁𝑜. 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠, 𝑁𝑤+=

𝑁+

𝑁𝑜. 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠+, 𝑁𝑤−=

𝑁−

𝑁𝑜. 𝑠𝑒𝑚𝑖𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠− (4.17)

𝑛 =𝑁

𝑡, 𝑛+=

𝑁 +

𝑡, 𝑛−=

𝑁 −

𝑡 (4.18)

Donde 𝑡 es el tiempo de adquisición de las señales. Para la aplicación los pulsos de polaridad positiva, son aquellos de la submatriz inferior (de magnitudes negativas) que, dado el circuito de medición indirecto, se presenta en su mayoría en el semiciclo positivo, y los pulsos de polaridad negativa, son aquellos de la submatriz superior (de magnitudes positivas) que se presentan en su mayoría en el semiciclo negativo.

4.6 ANÁLISIS DE ALTURA DE PULSOS

Basados en la matriz de DP ya obtenida, ésta es separada según su polaridad de magnitud resultando dos submatrices de 128x256. En las submatrices se suman los elementos que componen cada vector


64

fila, quedando un vector columna de 128 elementos (128 ventanas de magnitud), cada valor es dividido entre el tiempo de adquisición total de las señales para obtener así la unidad pulsos por segundo (𝑝𝑝𝑠). El vector de magnitud 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑚𝑎𝑔 (eje 𝑥) que contiene los valores discretizados que

representan cada fila es obtenido con la ecuación (4.12). Estos vectores son finalmente graficados como pps Vs magnitud (Gráfico PHA, Pulse Height Analysis), cuyo eje 𝑦 está en escala logarítmica, y se realiza una aproximación exponencial. La Figura 4.16 muestra un gráfico PHA obtenido por el software MAPD.

Figura 4.16 Gráfico de altura de pulsos obtenido por el software MAPD. El gráfico corresponde a los resultados de la figura 4.15.

4.6.1 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS 𝑸𝒎 Y NQN

Dada la ecuación de la aproximación exponencial de los datos del gráfico de altura de pulsos, de la forma:

𝑦(𝑥) = 𝑎𝑒𝑏𝑥 + 𝑐,

donde:

𝑦(𝑥): número de pulsos por segundo (pps) 𝑥: magnitud de los pulsos a, b y c: factores constantes Se despeja la variable 𝑥, obteniéndose

𝑥 =ln (

𝑦(𝑥)−𝑐

𝑎)

𝑏

(4.19)

Ahora el valor de 𝑄𝑚 se calcula tras evaluar la ecuación (4.19) en 𝑦 = 10𝑝𝑝𝑠. El valor de NQN se consigue utilizando la ecuación (1.4) descrita en la sección 1.5.1.1 [5]. Donde el número de ventanas de magnitud es N=128, la ganancia del detector de descargas parciales es considerado G=1 y la ventana de magnitud máxima es 𝐹𝑆 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 (voltaje de referencia).

4.7 CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS 𝜶 Y 𝜷 DE LA DISTRIBUCIÓN WEIBULL

Para calcular los parámetros de forma 𝛼 y escala 𝛽, se utiliza el vector 𝑉𝑖 que contiene los valores pico detectados de los pulsos de DP. El vector es previamente dividido según la polaridad de magnitud para realizar el análisis de DP positivas y negativas y obtener así 𝛽+, 𝛽 −, 𝛼 +y 𝛼 −.


65

Para el cálculo de los parámetros se realizan los siguientes pasos: Paso 1. Organizar los datos de menor a mayor. Paso 2. Calcular el estimador de Rango Mediano 𝑀𝑅. Como estimador será utilizado:

4.0

3.0)(

N

iMRqF

Paso 3. Realizar los cálculos de ln (− ln(1 − 𝑀𝑅)) y ln (𝑞). Paso 4. Obtener el gráfico de Weibull ln (− ln(1 − 𝑀𝑅)) Vs ln (𝑞). Linealizar los datos por regresión de mínimos cuadrados y deducir la ecuación de la recta. Finalmente, dada la recta de la forma 𝑦(𝑥) = 𝑚𝑥 + 𝑏, s los parámetros de escala y de forma serán

𝛽 = 𝑚 y 𝛼 = 𝑒−𝑏

𝛽 . En la Figura 4.17 se puede observar el código de programación.

Figura 4.17 Diagrama de bloques para el cálculo de los parámetros de Weibull

4.8 OBTENCIÓN DE LAS MAGNITUDES DE LOS PULSOS DE DP

Las siguientes magnitudes de los pulsos detectados son calculadas en Volts:

𝑄𝑚𝑎𝑥: magnitud máxima de las DP

𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛: magnitud promedio de las DP

𝑄𝑚𝑖𝑛: magnitud mínima de las DP

Para esto se utiliza el vector 𝑉𝑖 que contiene las magnitudes pico de cada pulso de DP detectado y las ecuaciones (4.20), (4.21) y (4.22):

𝑄𝑚𝑎𝑥 = max(𝑉𝑖)

(4.20)

𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛 =1

𝑁∑ 𝑉𝑖

𝑁

𝑖=1

(4.21)

𝑄𝑚𝑖𝑛 = min(𝑉𝑖) (4.22) Donde 𝑁 es el número total de pulsos detectados. El cálculo se hace para cada polaridad de pulsos, separando el vector 𝑉𝑖 previamente.


66

4.9 INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO

El panel frontal (Front Panel) de la aplicación, es la interfaz con la que interactúa el usuario para el manejo de la aplicación MAPD. En el anexo D se presenta una descripción detalla de la interfaz de usuario.

4.10 CONCLUSIONES

El software de análisis de descargas parciales desarrollado MAPD permite visualizar las señales

medidas en un osciloscopio virtual en tiempo real, una vez el usuario configure los parámetros

de adquisición, se puede obtener el diagrama de fase resuelta y el gráfico de altura de pulsos.

Además, el programa realiza el conteo del número de pulsos detectados, calcula los parámetros

𝛼 y 𝛽 de la distribución de Weibull, los parámetros 𝑄𝑚 y NQN y las magnitudes máxima, mínima

y promedio. También, se puede obtener la forma de onda de un pulso de DP individual y su

espectro en frecuencia.

Para la correcta obtención del valor pico y ángulo de fase de los pulsos de DP, se implementó un

umbral de voltaje (threshold) y un tiempo de adquisición del pulso para crear una ventana de

adquisición para cada pulso que contiene su forma de onda. El mayor valor pico (positivo o

negativo) fue el seleccionado para representar la DP. El ángulo de fase, es calculado tras obtener

el índice donde ocurre el valor pico y los cruces por cero (en flaco de subida) de la señal de

sincronismo.

La señal de DP es elevada al cuadrado para mitigar la presencia de ruido de fondo y facilitar la

detección del valor pico y su correspondiente ángulo de fase.

Los parámetros de escala 𝛼 y forma 𝛽 de la distribución de Weibull y las magnitudes máxima,

mínima y promedio (𝑄𝑚𝑎𝑥, 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛 , 𝑄𝑚𝑖𝑛) son obtenidos del vector que contiene los voltajes pico

de los pulsos de DP detectados, éste es previamente separado según su polaridad.

Para obtener el diagrama de fase resuelta y el gráfico de análisis de altura de pulsos se utilizó

una matriz de 256x256, donde las filas representan las magnitudes discretas de valor pico de los

pulsos, desde el valor de referencia −𝑉𝑟𝑒𝑓 hasta +𝑉𝑟𝑒𝑓 y las columnas representan los valores

discretos de ángulos de fase desde 0° a 360°. La resolución de la matriz es en voltaje 𝑉𝑟𝑒𝑓/128 y

en ángulo 1.40625°. Cada elemento de la matriz representa el número de pulsos detectados de

magnitud y ángulo de fase (𝑉𝑝𝑖, 𝜑𝑖). Para la obtención del gráfico de altura de pulsos los

elementos de los vectores fila de la matriz son sumados, quedando un vector de magnitudes de

128 ventanas para cada polaridad. Para tener la repetición de pulsos los elementos son divididos

entre el tiempo de adquisición de las señales.

El conteo de pulsos (cantidad de pulsos, pulsos por segundo y pulsos por ciclo) se realiza

sumando los elementos de la matriz, o submatrices para obtener la cantidad de pulsos por

polaridad.


67

4.11 REFERENCIAS

[1] T. Shahsavarian and S. M. Shahrtash, “Online partial discharge signal conditioning for φ–q–n representation under noisy condition in cable systems,” IET Sci. Meas. Technol., vol. 9, no. 1, pp. 20–27, 2015.

[2] A. Contin and G. C. Montanari, “Comparing Pulse-Height and Pulse-Shape Analysis of Partial Discharge Signals,” Conf. Electr. Insul. Dielectr. Phenom., pp. 526–529, 1997.

[3] “Power Diagnostix ICMSystem User’s Manual.” p. 183, 2002. [4] IEC, IEC 60270 High-voltage test techniques: Partial discharge measurements. 2000. [5] IEEE, IEEE Std Guide for the Measurement of Partial Discharges in AC Electric Machinery. 2014.

Capítulo 5 Pruebas en Laboratorio 5 PRUEBAS EN LABORATORIO En este capítulo se presentan los resultados de medición y análisis de descargas parciales llevados a cabo en el laboratorio de Ensayo de Bobinas de la Universidad del Valle con el sistema de adquisición implementado y el software desarrollado MAPD (Measurement and Analysis of Partial Discharges). Para el proyecto fueron diseñados y construidos modelos de electrodos para generar descargas corona, superficiales e internas; también se midieron descargas corona y superficiales utilizando el equipo comercial PD Simulator, éste incorpora un transformador elevador, electrodos para generar diferentes tipos de DP y filtros para acondicionar las señales de salida (véase Anexo E). Además, como un objeto de ensayo industrial se utilizó una barra del devanado de un generador de 100MVA/13.8kV como fuente de descargas parciales internas. Para cada objeto de prueba se obtuvieron los diagramas de fase resuelta y el gráfico de altura de pulsos, así como las cantidades asociadas de número de pulsos detectados, parámetros de la distribución de Weibull, parámetros de altura de pulsos y las magnitudes de las DP. Los resultados son estudiados con el fin de identificar y comprobar el tipo de fuente de descarga parcial, para esto también se incluye el análisis del parámetro de forma β. Finalmente, los resultados son comparados con los equipos comerciales PDCheck y TMS-6141 y con mediciones realizadas con un osciloscopio.

5.1 ÁSPECTOS RELEVANTES DE LA MEDICIÓN

Los aspectos tenidos en cuenta en las mediciones se resumen a continuación:

El sistema desarrollado corresponde a un sistema de medición no convencional, porque se

medirá con un gran ancho de banda. La tarjeta utilizada tiene una frecuencia de muestreo

máxima de 100MS/s, pero no es necesario adquirir los pulsos a esta razón de muestreo, dado

que el contenido de frecuencias del pulso, que se está obteniendo con el sistema de medición,

es mucho menor que dicha tasa de muestreo. Por lo tanto, la adquisición de señales se realizó a

una tasa de muestreo menor con el propósito de lograr una mejor relación señal-ruido.

Adicionalmente, se tiene un menor número de muestras, lo que implica un menor tiempo de

procesamiento.

La Figura 5.1 muestra la forma de onda de un pulso de DP y su espectro en frecuencia detectado

para una tasa de adquisición de 100MS/s, los resultados son comparados con los obtenidos por

Pruebas en Laboratorio

69

el equipo PDCheck en la Figura 5.2. El pulso proviene del electrodo punta-semiesfera, se

comprobó que el contenido de frecuencia de los demás objetos de ensayo se encuentra dentro

del rango. Se puede deducir que la energía del pulso está contenida principalmente antes de los

25MHz, aunque se diferencian dos rangos de frecuencia donde el primero va hasta

aproximadamente 10MHz. Se determinó que es suficiente adquirir con una frecuencia de

muestreo de 20MS/s, con esto se estaría abarcando pulsos con un contenido de frecuencia de

hasta 10MHz. En la Figura 5.3 se observa el pulso medido a la razón de muestreo de 20MS/s.

Figura 5.1 Pulso de DP detectado a 100MS/s: a) Forma de onda y b) Espectro en frecuencia

Figura 5.2 Pulso de DP detectado por el equipo PDCheck: a) Forma de onda y b) Espectro en frecuencia


70

Figura 5.3 Pulso de DP detectado a 20MS/s: a) Forma de onda y b) Espectro en frecuencia

Los pulsos de DP tienen una duración de aproximadamente 2µs, por lo que se estableció un

tiempo de adquisición del pulso de 5µs, este parámetro se mantuvo en todas las mediciones.

En la Figura 5.4 se muestra el ruido de fondo presente en las mediciones de laboratorio, éste

normalmente tiene una amplitud de 75mV, sin embargo es común que el ruido varié en el

tiempo. En las mediciones el umbral o threshold fue establecido como mínimo en 80mV, aunque

según la magnitud observada en pantalla se estableció un nivel adecuado en cada adquisición.

Figura 5.4 Nivel de ruido

En cada medición el voltaje fue incrementado gradualmente hasta alcanzar la tensión aplicada

𝑉𝑎. Ésta fue definida en relación a la tensión de ignición 𝑉𝑖 o 𝑃𝐷𝐼𝑉 (donde aparecen las primeras

descargas) como 𝑉𝑎 = 1.5𝑉𝑖. La Tabla 5-I muestra las magnitudes de tensión obtenidas.

Tabla 5-I Tensión de ignición y tensión de prueba para cada objeto de ensayo

Objeto de ensayo

Punta- Semiesfera

Barra- Plano

Planos Paralelos

Bobina

𝑽𝒊 [kV] 4.3 4.1 8 6.1

𝑽𝒂 [kV] 6.45 6.15 12 9.15


71

Las señales producidas por los electrodos suelen ser inestables en los primeros minutos y pueden

ser alteradas por factores como las condiciones atmosféricas, la oxidación y la suciedad. De

hecho, en el electrodo punta-semiesfera es común que después de un prolongado tiempo de

prueba se produzca ozono y cambie así la magnitud de las descargas presentadas. Los datos

fueron adquiridos y procesados después de un tiempo mínimo de 15min, período después del

cuál las señales se vuelven más estables.

Se realizaron mediciones previas teniendo únicamente conectado el transformador de alta

tensión al capacitor de acoplamiento con lo que se verificó que no se presentaran descargas en

éste hasta la tensión nominal del capacitor de 17.5kV.

5.2 MEDICIONES PARA CADA OBJETO DE ENSAYO

Los objetos de ensayo utilizados fueron los descritos en el capítulo 2, donde para cada modelo punta–semiesfera, barra-plano y planos paralelos: el electrodo de punta, el de barra y el electrodo disco superior, respectivamente, fueron conectados a alta tensión, mientras que los electrodos opuestos fueron conectados a tierra. Como objeto de ensayo industrial se utilizó una barra del devanado de un generador de 100MVA/13.8kV (aislamiento principal de epoxi/mica). En la Tabla 5-II se resume la descripción de los parámetros medidos.

Tabla 5-II Descripción de los parámetros medidos

Variable Descripción

𝑽𝒂 Tensión aplicada al objeto de prueba en kV

𝒕 Tiempo de adquisición en segundos

𝑵 Número total de pulsos detectados

𝑵 + , 𝑵 − Número de pulsos detectados para cada polaridad

𝒏 Número total de pulsos por segundo (pps)

𝒏 +, 𝒏 − Número de pulsos por segundo para cada polaridad

𝑵𝒘 Número total de pulsos por ciclo

𝑵𝒘 +, 𝑵𝒘 − Numero de pulsos por semiciclo

𝜷+y 𝜷− Parámetro de forma de la distribución de Weibull para cada polaridad

𝜶+ y 𝜶− Parámetro de escala de la distribución de Weibull para cada polaridad en mV

𝑵𝑸𝑵 + , 𝑵𝑸𝑵 − Cantidad numérica normalizada del Análisis de Altura de Pulsos para cada polaridad en mV

𝑸𝒎 +, 𝑸𝒎 − Magnitud de pulsos asociada a una repetición de 10pps para cada polaridad en mV

𝑸𝒎𝒂𝒙 +, 𝑸𝒎𝒂𝒙 − Magnitud máxima de pulsos detectados para cada polaridad en mV

𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 +, 𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 − Magnitud promedio de pulsos detectados para cada polaridad en mV

𝑸𝒎𝒊𝒏 +, 𝑸𝒎𝒊𝒏 − Magnitud mínima de pulsos detectados para cada polaridad en mV

5.2.1 DIAGRAMAS DE FASE RESUELTA Y ANÁLISIS DE ALTURA DE PULSOS

En las figuras 5.5 a 5.8 se muestran los diagramas de fase resuelta y los gráficos de altura de pulsos obtenidos para cada objeto de ensayo y en la Tabla 5-III se resumen los parámetros obtenidos.


72

a)

b)

Figura 5.5 Electrodos punta-semiesfera: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos

a)

b)

Figura 5.6 Electrodos barra-plano: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos

a)

b)

Figura 5.7 Electrodos planos paralelos: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos


73

a)

b)

Figura 5.8 Barra: a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos

Tabla 5-III Parámetros obtenidos para cada objeto de ensayo

Objeto de ensayo

Punta- semiesfera

Barra- plano

Planos paralelos

Bobina

𝑽𝒂 [kV] 6.35 6.12 12.54 9.25

𝒕 [s] 2 25 30 7

Cantidad de pulsos

𝑵 5916 9586 7208 19194

𝑵 − 5425 4179 3910 10154

𝑵 + 491 5407 3298 9040

𝒏 2958 383.4 240.3 2742

𝒏 − 2712.5 167.2 130.3 1450.6

𝒏 + 245.5 216.3 109.9 1291.4

𝑵𝒘 49.3 6.39 4 45.70

𝑵𝒘 + 1.42 4.16 1.76 21.53

𝑵𝒘 − 47.88 2.23 2.24 24.17

Parámetros de Weibull

𝜷− 7.01 3.55 6.01 3.35

𝜷+ 1.46 2.39 5.93 3.23

𝜶−[mV] 146.13 1080 133.04 201.95

𝜶+ [mV] 197.48 1290 131.57 202.59

Parámetros Altura de pulsos

𝑵𝑸𝑵 − [mV] 240.1 -564.28 35.85 342.48

𝑵𝑸𝑵 + [mV] 38.88 -868.45 36.09 325.98

𝑸𝒎 − [mV] 412.22 664.1 83.48 335.37

𝑸𝒎 + [mV] 117.11 773.98 89.91 319.27

Magnitud de los pulsos

𝑸𝒎𝒂𝒙 − [mV] 222.9 3510 208.07 564.89

𝑸𝒎𝒂𝒙 + [mV] 544.69 4460 198.74 567.25

𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 − [mV] 134.81 972.67 123.39 181.07

𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 + [mV] 169.95 1150 122.18 181.35

𝑸𝒎𝒊𝒏 − [mV] 83.55 572.28 87.76 100.39

𝑸𝒎𝒊𝒏 + [mV] 80.56 552.32 88.98 101.6


74

El patrón en fase resuelta de la Figura 5.5 es típico de descargas corona, éstas se están presentando sólo en el semiciclo negativo alrededor de los 270° con algunos pocos pulsos esporádicos en el semiciclo positivo. En el gráfico de altura de pulsos, se observa que los pulsos negativos presentan un comportamiento curvo con una alta repetición y los positivos no tienen un comportamiento muy definido. Los resultados de la Figura 5.6 son los esperados para una fuente de descargas superficiales. Los pulsos tienen fases de ocurrencia entre 0-90° y 190°-270°, son de gran magnitud y baja repetición y existe una predominancia de los pulsos positivos. El patrón de la Figura 5.7 corresponde a una fuente de descargas internas. Las descargas ocurren entre 350°-90° y 175°-280° (descargas más concentradas en las regiones de mayor pendiente del voltaje aplicado), se observa simetría entre ambas polaridades, por lo que no hay predominancia de pulsos y las DP se encuentran en el centro del aislamiento. Los resultados de la Figura 5.8 son típicos de descargas parciales internas. Las descargas ocurren entre 0°-100° y 180°-290° y se observa una alta simetría. En el gráfico de altura de pulsos el comportamiento tiene tendencia rectilínea y no hay predominancia de pulsos, es decir que las DP se encuentran en el centro del aislamiento principal. En las figuras 5.9 a 5.14, se compararán los parámetros medidos para cada fuente de DP. Los parámetros 𝑛 y 𝑁𝑤 muestran la cantidad de pulsos que se presentan por segundo y por ciclo, la mayor repetición de pulsos se da en el electrodo punta-semiesfera (corona) y en la bobina (internas). Además, se aprecia la comparación de la repetición para cada polaridad de descarga. El parámetro 𝑁𝑄𝑁 representa la relación entre repetición de pulsos y su magnitud, éste es mayor para los electrodos barra-plano, que aunque su repetición es baja, la magnitud de los pulsos es muy alta. Valores de 𝑁𝑄𝑁 negativos son debido a la baja repetición de pulsos, en el gráfico se dibujó el valor absoluto. Los parámetros 𝑄𝑚, 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛 y 𝛼 miden la magnitud de los pulsos de DP, las mayores descargas se dieron el electrodo barra-plano y las menores en planos paralelos. Todos estos parámetros son útiles para diagnosticar un equipo al comparar las mediciones con el tiempo. Al parámetro 𝛽 se le ha presentado especial atención y se trata en la siguiente sección.


75

Figura 5.9 Parámetro 𝒏

Figura 5.10 Parámetro 𝑵𝒘

Figura 5.11 Parámetro 𝑵𝑸𝑵

Figura 5.12 Parámetro 𝑸𝒎

Figura 5.13 Parámetro 𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏

Figura 5.14 Parámetro 𝜶


76

5.2.2 COMPARACIÓN DEL PARÁMETRO DE FORMA 𝜷 DE LA DISTRIBUCIÓN DE WEIBULL

El parámetro 𝛽 es una medida de la variabilidad de la magnitud de los pulsos de DP, entre menor sea el valor de 𝛽 mayor diferencia existe entre la mínima y máxima magnitud de pulsos detectados. En la figura 9 se compara la magnitud del parámetro 𝛽 para cada fuente de descarga parcial y en la figura 14 se realizó el gráfico de (𝛽+)/(𝛽−) Vs 𝛽 + utilizado para identificar diferentes tipos de DP en devanados del estator de máquinas rotativas [1]. En los gráficos se incluyeron los resultados de dos mediciones adicionales con los electrodos punta-plano para descargas corona y barra-plano para DP superficiales del equipo PD Simulator (ver anexo E).

Figura 5.15 Comparación de la magnitud del parámetro 𝜷 Figura 5.16 Gráfico de (𝜷+)/(𝜷−) Vs 𝜷 +

En general, para las descargas corona se presentan los mayores valores de 𝛽 (menor dispersión estadística) y para las DP superficiales los menores valores de 𝛽 (alta dispersión estadística), se puede decir en términos generales que 𝛽𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 > 𝛽𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 > 𝛽𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠, aunque se observa

que:

El 𝛽 + del objeto barra-plano (DP superficiales) es levemente superior a los 𝛽 de la bobina (DP

internas).

El 𝛽 de los electrodos planos paralelos (DP internas) es muy cercano al 𝛽 de los objetos de ensayo

para descargas corona.

El 𝛽 + del objeto punta-semiesfera (DP corona) es muy pequeño, aunque esto es debido a que

sólo se presentaron algunos pulsos esporádicos.

Las magnitudes de 𝛽 obtenidos para cada tipo de fuente de DP no tienen rangos de diferencia que los separe claramente, lo que dificulta su clasificación. Así, el parámetro 𝛽 puede dar una idea del tipo de DP que se mide, pero no es una herramienta que identifique claramente el tipo de DP. En el gráfico de la Figura 16 se ha ubicado el parámetro 𝛽 + en el eje x, aunque se consideró para la DP corona dejar 𝛽 donde se presentan la mayoría de pulsos (𝛽 − para el caso punta-semiesfera), en el eje y se agrega la relación 𝛽 +/𝛽 −, se observa una separación de los tipos de DP.


77

5.3 COMPARACIÓN DE LAS MEDICIONES CON EQUIPOS COMERCIALES

Las mediciones realizadas con el sistema MAPD fueron comparadas con los equipos comerciales PDCheck desarrollado por la empresa Techimp y TMS-6141 de la compañía Sparks Instruments. El equipo PDCheck tiene una frecuencia de muestreo de 100MS/s y ancho de banda de 16kHz-30MHz, utiliza procesamiento estadístico, mapas de Tiempo-Frecuencia, lógica fuzzy y técnicas de inteligencia artificial para el análisis de las DP. El equipo TMS-6141 trabaja con un ancho de banda por filtros seleccionables, filtro pasa-bajo de 40KHz-5MHz y filtro paso-alto de 800kHz-300MHz, cuenta con una pantalla táctil LCD 5.7" para configurar el equipo y mostrar los resultados. Con este equipo se utilizó un capacitor de la misma marca, ya descrito en el capítulo 3 y ya que los resultados son sólo presentados en coulombs, no se realizan comparaciones en magnitud. También, como medida adicional, se utilizó un osciloscopio (RIGOL MSO2302A 300MHz-2Gsa/s) que se configuró con un límite de ancho de banda de 20MHz y con la función Persistime activada en cinco segundos la cual permite acumular en pantalla las señales adquiridas durante ese tiempo. Las adquisiciones se realizaron de manera que el número de pulsos total fuera similar entre los sistemas aunque esto no fue siempre posible, igualmente con un similar nivel de trigger. Los patrones obtenidos con el PDCheck fueron previamente filtrados para eliminar ruido. En las figuras 5.17, 5.19, 5.21 y 5.23 se muestran los diagramas de fase resuelta obtenidos con MAPD, el PDCheck y el TMS-6141 al igual que la adquisición realizada con el osciloscopio. En la figuras 5.18, 5.20, 5.22 y 5.24 se comparan los resultados de los gráficos de altura de pulsos con MAPD y con el equipo TMS-6141. Los parámetros obtenidos se resumen y comparan en las Tabla 5-IV y 5-V.


78

a) b)

c) d)

Figura 5.17 Diagrama de fase resuelta electrodos punta-semiesfera (DP corona): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 y d) Medición en el osciloscopio (escala señal DP 200mV/div, 2ms/div)

a)

b)

Figura 5.18 Gráfico de Altura de Pulsos electrodos punta-semiesfera (DP corona): a) MAPD y b) TMS-6141


79

a) b)

c) d)

Figura 5.19 Diagrama de fase resuelta electrodos barra-plano (DP superficiales): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 y d) Medición en el Osciloscopio escala 2ms/div, 1V/div (señal DP)

a) b)

Figura 5.20 Gráfico de Altura de Pulsos electrodos barra-plano (DP superficiales): a) MAPD y b) TMS-6141


80

a) b)

c) d)

Figura 5.21 Diagrama de fase resuelta electrodos planos paralelos (DP internas): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 y d) Medición en el Osciloscopio escala 2ms/div, 100mV/div (señal DP)

a) b) Figura 5.22 Gráfico de Altura de Pulsos electrodos planos paralelos (DP internas): a) MAPD y b) TMS-6141


81

a) b)

c) d)

Figura 5.23 Diagrama de fase resuelta para la bobina (DP internas): a) MAPD, b) TECHIMP c) TMS-6141 y d) Medición en el Osciloscopio escala 2ms/div, 200mV/div (señal DP)

a) b) Figura 5.24 Gráfico de Altura de Pulsos para la barra (DP internas): a) MAPD y b) TMS-6141


82

Tabla 5-IV Comparación de parámetros con el equipo PDCheck

Objeto prueba

Punta-semiesfera (Corona)

Barra-plano (Superficiales)

Planos paralelos (Internas)

Bobina (Internas)

Equipo MAPD PDCheck MAPD PDCheck MAPD PDCheck MAPD PDCheck

𝑽𝒂 [kV] 6.35 6.4 6.12 6.2 12.54 12.81 9.25 9

𝒕 [s] 2 2.32 19 16.56 30 32.69 11 13.5

𝑵 5916 5471 9586 10077 7208 9425 19194 19082

𝑵 + 491 0 5407 6262 3298 4129 9040 9500

𝑵 − 5425 5471 4179 3718 3910 5296 10154 9551

𝒏 2958 2359.1 504.53 662.57 240.3 288.27 1744.9 1410.78

𝒏 + 245.5 0 284.58 378.08 109.9 126.29 821.82 703.50

𝒏 − 2712.5 2359.1 219.95 224.48 130.3 161.98 923.1 707.28

𝑵𝒘 49.3 39.31 8.41 10 4 4.8 29.08 23.52

𝑵𝒘 + 4.09 0 4.74 6.30 1.83 2.1 13.7 11.73

𝑵𝒘 − 45.21 39.31 3.66 3.74 2.17 2.7 15.38 11.79

𝜷+ 1.46 0 2.39 2.62 5.93 5.02 3.23 3.14

𝜷− 7.01 7.27 3.55 3.27 6.01 5.35 3.35 3.17

𝜶+ 197.48 0 1290 1309 131.57 101 202.59 238

𝜶− 146.13 136 1080 1125 133.04 100 201.95 232

𝑵𝑸𝑵 + 38.88 0 -868.4 -658 36.09 11 325.98 186

𝑵𝑸𝑵 − 240.1 171 -564.2 -74 35.85 10 342.48 158

𝑸𝒎𝒂𝒙 + 544.69 0 4460 3875 198.74 169 567.25 613

𝑸𝒎𝒂𝒙 − 222.9 191 3510 3031 208.07 173 564.89 638

𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 + 169.95 0 1150 1774 122.18 95 181.35 217

𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 − 134.81 130 972.67 1033 123.39 94 181.07 213

𝑸𝒎𝒊𝒏 + 80.56 0 552.32 562 88.98 63 101.6 131

𝑸𝒎𝒊𝒏 − 83.55 86 572.28 594 87.76 66 100.39 138

Tabla 5-V Parámetros obtenidos con el equipo TMS-6141

Objeto de prueba

Punta-semiesfera (Corona)

Barra-plano (Superficiales)

Planos paralelos (Internas)

Bobina (Internas)

𝑽𝒂 [kV] 6.54 6 13 9.1

𝒕 [s] 5 16 15 6

𝑵 21083 9437 13255 20279

𝑵 + 304 4892 2553 10081

𝑵 − 20779 4545 10702 10198

𝒏 4216.6 589.81 883.67 3379.83

𝒏 + 60.8 305.75 170.2 1680.17

𝒏 − 4155.8 284.06 713.47 1699.67

Las figuras 5.25 a 5.31 ilustran la comparación entre equipos de algunos parámetros, donde se observan algunas tendencias y el error relativo, tomado como valor verdadero el de los equipos comerciales.


83

Figura 5.25 Comparación entre los equipos de medición

de la magnitud del parámetro n

Figura 5.26 Comparación entre los equipos de medición

de la magnitud del parámetro NQN

Figura 5.27 Error relativo con el equipo PDCheck del

parámetro n

Figura 5.28 Error relativo con el equipo TMS-6141 del

parámetro n


parámetro 𝜷


parámetro 𝜶


84

Figura 5.31 Error relativo con el equipo PDCheck del parámetro 𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏

Se observa que los patrones en fase resuelta y los gráficos de altura de pulsos son similares entre los sistemas de medición. Al comparar con el equipo PDCheck, se tiene que los parámetros en ambos sistemas conservan la misma tendencia, las magnitudes son similares aunque algunas diferencias considerables se presentan en los parámetros de magnitud, en general los errores son menores del 35%. Los valores de NQN difieren entre ambos sistemas pero se conservan tendencias similares para cada objeto de ensayo. Las diferencias en magnitud puede deberse a que la ganancia del equipo PDCheck es diferente. También, el tiempo con el que se adquiere cada pulso en cada sistema (deadtime en el PDCheck) puede influir en el conteo de pulsos. Con el equipo TMS-6141 se observan grandes diferencias en la repetición de pulsos, aunque en general la tendencia es similar. Además, entre los mismos equipos comerciales las diferencias son también notables. No se puede decir mucho de la cantidad de pulsos por polaridad detectados porque con el TMS-6141 no se adquirió una cantidad total de pulsos similar. La diferencia puede ser debida a que se utilizó un capacitor diferente, y además éste equipo trabaja con anchos de banda seleccionables, donde se puede especificar la frecuencia de corte inferior y superior, lo que hace que el ancho de banda del sistema sea muy diferente. 5.4 CONCLUSIONES

La forma, ángulo de fase y magnitud de los diagramas de fase resuelta obtenidos por el sistema

desarrollado MAPD sugieren que el objeto de ensayo punta-semiesfera es una fuente de

descargas corona, el barra-plano de DP superficiales y los objetos planos paralelos y bobina son

fuente de DP internas, cumpliendo con los resultados esperados.

En el gráfico de altura de pulsos determinó que para los objetos planos paralelos y la barra no se

presentó predominancia de pulsos, es decir que las descargas se presentan en el centro del

aislamiento principal.

En el conteo de pulsos, la mayor repetición de pulsos de DP (parámetros 𝑛 y 𝑁𝑤) se presenta en

los electrodos punta-semiesfera (descargas corona).

Las descargas de mayor magnitud se dieron en los electrodos barra-plano (DP superficiales), esto

se ve reflejado en los parámetros 𝑄𝑚𝑎𝑥, 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛 , 𝑄𝑚𝑖𝑛, 𝛼 𝑦 𝑄𝑚.

La mayor relación entre repetición y magnitud de las descargas (parámetros 𝑁𝑄𝑁 y 𝑄𝑚) ocurre

para los electrodos barra-plano (DP superficiales).


85

Para los electrodos punta-semiesfera y punta-plano (PD Simulator), fuentes de descargas corona,

se presentan los mayores valores de 𝛽 (menor dispersión estadística) y para los electrodos barra-

plano (construidos y del PD Simulator), fuentes de DP superficiales, se dan los menores valores

de 𝛽 (alta dispersión estadística), resultados esperados. Los resultados en términos generales

muestran que 𝛽𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 > 𝛽𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 > 𝛽𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠, el parámetro 𝛽 puede brindar una idea del

tipo de DP que se mide. Aunque, las magnitudes de 𝛽 pueden ser cercanas entre diferentes

fuentes de DP, lo que dificulta la identificación.

Los patrones en fase resuelta y el gráfico de análisis de altura de pulsos son similares a los

obtenidos con los equipos comerciales. Los parámetros son similares o presentan tendencia

similar. Las diferencias de los resultados obtenidos pueden ser atribuidas a algunos aspectos

como: las mediciones no fueron realizadas en simultáneo, los anchos de banda con la que

adquieren los sistemas de medición son diferentes y más con el equipo TMS-6141 donde se

utilizó un capacitor diferente y las frecuencias de corte son seleccionables, la ganancia del equipo

PDCheck.

5.5 REFERENCIAS

[1] Y. Han and Y. H. Song, “Using Improved Self-Organizing Map for Partial Discharge Diagnosis of Large Turbogenerators,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 18, no. 3, pp. 392–399, 2003.

CONCLUSIONES GENERALES

La simulación electrostática de los modelos de electrodos evidencia principalmente que en el modelo punta-semiesfera (descargas corona) el campo eléctrico se concentra en la periferia de la punta, para el modelo barra-plano (DP superficiales) sucede entre el borde de la barra y el material dieléctrico y para el modelo planos paralelos (DP internas) la mayor concentración de campo eléctrico se presenta en la inclusión de aire. Las altas concentraciones de campo eléctrico en cada modelo alcanzan fácilmente la intensidad de ruptura del aire, condición apropiada para que sucedan descargas parciales, teniendo en cuenta que la segunda condición es que exista un electrón libre que inicie la avalancha de electrones.

El sistema de medición y adquisición implementado mide en el rango de alta frecuencia (sistema no convencional), utiliza un circuito de medición indirecto donde los pulsos son detectados por un capacitor de acoplamiento de alta tensión y adquiridos por una tarjeta de adquisición de datos (NI 5133). El capacitor utilizado tiene una frecuencia de corte inferior de 430kHz y una ganancia de 0.9. La tarjeta de adquisición trabaja a una razón de muestreo de 20MS/s, con un ancho de banda de 10MHz.

El software de análisis de descargas parciales desarrollado MAPD permite visualizar las señales medidas en un osciloscopio virtual en tiempo real, una vez el usuario configure los parámetros de adquisición, se puede obtener el diagrama de fase resuelta y el gráfico de altura de pulsos. Además, el programa realiza el conteo del número de pulsos detectados, calcula los parámetros 𝛼 y 𝛽 de la distribución de Weibull, los parámetros 𝑄𝑚 y NQN y las magnitudes máxima, mínima y promedio (𝑄𝑚𝑎𝑥, , 𝑄𝑚𝑖𝑛, 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛). También, se puede obtener la forma de onda de un pulso de DP individual y su espectro en frecuencia. Las mediciones se realizan en volts.

Para la correcta obtención del valor pico y ángulo de fase de los pulsos de DP, se implementó un umbral de voltaje (threshold) y un tiempo de adquisición del pulso, con lo cual se crea una ventana de adquisición para cada pulso que contiene su forma de onda. El mayor valor pico (positivo o negativo) fue el seleccionado para representar la DP. El ángulo de fase, es calculado tras obtener el índice donde ocurre el valor pico y los cruces por cero (en flaco de subida) de la señal de sincronismo.

El diagrama de fase resuelta y el gráfico de análisis de altura de pulsos son obtenidos basados en una matriz de 256x256, donde las filas representan el voltaje pico de los pulsos, desde el valor de referencia −𝑉𝑟𝑒𝑓 hasta +𝑉𝑟𝑒𝑓 y las columnas los ángulos de fase desde 0° a 360°. La resolución de

la matriz es en voltaje 𝑉𝑟𝑒𝑓/128 y en ángulo 1.40625°. Cada elemento de la matriz representa el

número de pulsos detectados de magnitud y ángulo de fase (𝑉𝑝𝑖, 𝜑𝑖).

La forma, ángulo de fase y magnitud de los diagramas de fase resuelta obtenidos por el sistema desarrollado MAPD sugieren que el objeto de ensayo punta-semiesfera es una fuente de descargas corona, el barra-plano de DP superficiales y los objetos planos paralelos y bobina son fuente de DP internas, resultados esperados. El diagrama de fase resuelta permite la clasificación de las DP.

Los resultados para los seis objetos de ensayo probados muestran que, en general, 𝛽𝑐𝑜𝑟𝑜𝑛𝑎 >𝛽𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 > 𝛽𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙𝑒𝑠, el parámetro 𝛽 puede brindar una idea del tipo de DP que se mide.

Aunque, las magnitudes de 𝛽 pueden ser cercanas entre diferentes fuentes de DP, lo que dificulta la identificación.

Los patrones en fase resuelta y el gráfico de análisis de altura de pulsos son similares a los obtenidos con los equipos comerciales y los parámetros fueron en general similares en magnitud o conservan la misma tendencia, los resultados validan el desempeño del sistema propuesto.

87

TRABAJOS FUTUROS

Mejorar la respuesta del sistema, trabajando en la optimización del código de programación y

en la adquisición de la información, este último utilizando un nivel de trigger (threshold)

implementado desde la tarjeta de adquisición, así la información que finalmente se digitaliza

será mucho menor, permitiendo que el procesamiento de la información se ha más rápido.

Estudiar los métodos de evaluación de la carga de los pulsos de descargas parciales y aplicar

una metodología adecuada que obtener la medida en pC y realizar la calibración.

Aplicar técnicas de eliminación del ruido

Estudiar y aplicar métodos o herramientas para la clasificación de descargas parciales como:

parámetros estadísticos, mapas de tiempo-frecuencia, redes neuronales, lógica fuzzy etc.

Realizar mediciones con fuentes de descargas parciales combinadas.

Implementar la medición trifásica en el sistema.

88

AGRADECIMIENTOS La aventura de la investigación inició con la oportunidad que me brindó el grupo de investigación en

Conversión de Energía CONVERGÍA, a través del profesor José Luis Oslinger, de trabajar en el tema

de diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas. Los proyectos desarrollados, equipos e

infraestructura de que dispone el grupo permitieron la realización de este trabajo.

A Fabio Muñoz, asesor del proyecto, compañero y amigo por sus valiosos aportes y consejos, a él mis

más sentidos agradecimientos.

Al profesor José Luis Oslinger, director del proyecto, por su orientación, gestión y valiosos

conocimientos que permitieron el desarrollo de este proyecto.

Al profesor Jairo Palacios, por su ayuda en el diseño y construcción de los electrodos y por su

inagotable buena disposición y optimismo.

A Luis Carlos Castro por su ayuda en la gestión de equipos y recursos, y manejo del Laboratorio de

Ensayo de Bobinas.

A Ian Carlo Guzmán por sus aportes en el desarrollo de la investigación.

A Julio Ramírez por su gestión para la utilización de algunos equipos.

Al profesor Harold Díaz y a mis compañeros del posgrado, por su contribución en mi aprendizaje.

A la Universidad del Valle y a COLCIENCIAS, por proveer recursos para esta investigación y por mi

financiación como estudiante e investigador.

A mi familia, por su apoyo y acompañamiento.

¡Gracias!

Jaime

Anexos

89

6 ANEXOS Anexo A Planos electrodos ANEXO A PLANOS ELECTRODOS A continuación se muestran los modelos 3D y los planos de diseño de los electrodos utilizados para generar descargas parciales.

a) b)

c) Figura A.1 Modelos 3D de los electrodos a) Barra-plano, b) Planos paralelos y c) Punta-semiesfera

Anexos

90

Anexos

91

Anexos

92

Anexos

93

Anexo B Características de las Tarjetas de Adquisición de Datos ANEXO B CARACTERÍSTICAS TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Las mejoras recientes en las Tarjetas de Adquisición de Datos (TAD) han sido formidables, con velocidades de muestreo de hasta unidades de GS/s y la introducción de interfaces de comunicación como la PCI (Peripheral Component Interconnect) permitiendo la caracterización de señales muy rápidas y la transferencia efectiva de información a la memoria RAM del computador. Como elemento central de la TAD está el Convertidor Análogo-Digital (ADC). Un ADC es un chip que proporciona una representación digital de una señal analógica en un instante de tiempo. En la práctica, las señales analógicas varían continuamente con el tiempo y un ADC realiza "muestras" periódicas de la señal a una razón predefinida. Estas muestras son transferidas a un PC a través de un bus de datos, donde la señal original es reconstruida desde las muestras en software. Como características más relevantes de las TAD están: número de canales analógicos, velocidad de muestreo, resolución, rango de entrada e interfaz de comunicación. A continuación se describe cada una de estas características:

Número de canales analógicos: Es el número de canales de entrada disponibles de la tarjeta. Es necesario conocer el número de variables que se va a considerar, por lo que esta característica es crítica para el diseño de la instalación. Existen dos modelos para la captura de las señales de entrada, en primer lugar sería utilizar un único ADC compartido entre varias entradas o utilizar convertidores independientes en cada entrada analógica. Para el primer caso, se resuelve mediante el uso de un multiplexor que seleccionará la entrada que corresponda. El otro caso se soluciona a través de un muestro simultáneo. Velocidad de muestreo: Es uno de los factores más críticos a la hora de seleccionar un modelo de TAD. Se define como la velocidad máxima con que el hardware de adquisición realiza la toma de muestras, siendo justo lo inverso al tiempo de adquisición. Cuanto mayor sea la velocidad de muestreo mejor representación se obtendrá de la señal analógica, en cualquier caso la velocidad de muestreo debe ser siempre, como mínimo, mayor que el doble de la frecuencia de la señal que se requiere muestrear (Teorema de Nyquist):

señalmuestreo ff 2

Si la tarjeta no es de muestreo simultáneo, es decir, utiliza un único ADC, entonces la velocidad de muestreo se dividirá por cada canal.

Anexos

94

El ancho de banda de un sistema de medición está definido como aquella frecuencia donde la respuesta del sistema causa una amplitud de salida con una caída del 70.7% (-3dB) como lo indica la Figura B.1. Si las señales de interés tienen tiempos de subida muy pequeños, para una correcta especificación del equipo la ecuación B.1 relaciona el tiempo de subida y el ancho de banda:

𝑡𝑠 ≈

350

𝐵𝑊 (B.1)

𝑡𝑠: Tiempo de subida en ns 𝐵𝑊: Ancho de banda en MHz Resolución: Viene dada por el número de bits del ADC que se utilizan para representar cada muestra, a mayor número de bits del ADC la tarjeta será capaz de detectar variaciones menores en la señal. El número de distintos niveles en que se divide la señal a convertir viene dada por 2𝑛, siendo 𝑛 la longitud de palabra del conversor (número de bits). Por ejemplo, un ADC de 8 bits tendrá 28 = 256 niveles de voltaje discretos, suponiendo una señal de entrada de 400mV se obtiene una resolución de 400mV/256 = 1.56mV. Así, el cambio más pequeño que se desea detectar en la señal medida determina la resolución que es requerida por el dispositivo de adquisición. Rango de entrada: Indica los límites de tensión de entrada de la tarjeta. Existen dos configuraciones:

Unipolares: donde sólo pueden tener niveles de tensión positiva, por ejemplo: 0 a 10 V

Bipolares: permiten las dos polaridades, por ejemplo: -10 a 10 V

Interfaz de comunicación: O bus de datos se refiere a la forma de comunicarse con el computador. La TAD se conecta a la PC a través de una ranura o puerto para pasar instrucciones y datos medidos. Hay varios tipos de buses y cada uno de ellos ofrece diferentes ventajas para diferentes tipos de aplicaciones. Todos los buses de la PC tienen un límite de la cantidad de datos que pueden ser transferidos en un cierto periodo de tiempo, esto se conoce como el ancho de banda del bus y generalmente es especificado en MB/s. Otro parámetro a tener en cuenta es la latencia, la cual describe la cantidad de tiempo que toma el bus para que el dispositivo de adquisición responda a un comando remoto, la Figura B.2 relaciona estos parámetros.

Figura B.2. Interfaces de comunicación

La oferta actual de TAD presente en el mercado es muy amplia. Algunas de las compañías dedicadas a nivel mundial a fabricar estos dispositivos son: National Instruments, Measurement Computing, Advantech, Agilent Technologies, Nutaq Scientific, Xilinx y Texas Instruments.

Anexos

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Anexo C Corrección del Efecto de la Impedancia de Entrada ANEXO C CORRECCIÓN DEL EFECTO DE LA IMPEDANCIA DE ENTRADA

Los equipos de medición como osciloscopios y tarjetas de adquisición tienen una impedancia de entrada que es usualmente definida como la resistencia y capacitancia efectiva vista en la entrada del equipo, esta es modelada como un circuito RC en paralelo. El acoplamiento entre la impedancia de entrada de la tarjeta y la impedancia de la fuente (circuito que se mide) influencian sobre la medida de la señal. La Figura C.1 muestra la comparación al medir en el osciloscopio con una impedancia de entrada de 1MΩ y con una de 50Ω, el pulso proviene de un calibrador de descargas parciales que se inyectó en el capacitor de acoplamiento. Se observa que al medir con una impedancia de 1MΩ el pulso se amplifica y se vuelve más oscilatorio.

Figura C.1 Comparación medición de un pulso con impedancia de entrada de 50Ω y 1MΩ

La Figura C.2 representa el circuito de acople de impedancias, la tensión medida en la entrada está definida por la ecuación (C.1).

Figura C.2 Acoplamiento de impedancias

Anexos

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𝑉𝑖 = 𝑉𝑠 ∙

𝑍𝑖

𝑍𝑖 + 𝑍𝑠 (C.1)

donde:

𝑉𝑖: voltaje de entrada 𝑉𝑠: voltaje de la fuente 𝑍𝑖: impedancia de entrada 𝑍𝑠: impedancia de la fuente Los equipos de propósito general utilizan impedancias de entrada mucho mayores a la impedancia de la fuente 𝑍𝑖 ≫ 𝑍𝑠, de esta manera según la ecuación (3.1) 𝑉𝑖 ≅ 𝑉𝑠. Para señales de alta frecuencia como los pulsos de DP, el cambio de medio de una baja impedancia a un alta (impedancia mismatch) produce reflexiones de la señal, influyendo en la amplitud y fase de la misma. Con el fin de evitar esto, la impedancia de la fuente y de entrada deben ser iguales (impedancia matching) y correspondientes a la impedancia característica del cable de transmisión, que es comúnmente cable coaxial de 50Ω, así se obtiene la máxima trasferencia de potencia del pulso de DP y una representación más fidedigna de la forma de onda. Aunque debe notarse que la amplitud de la señal ahora será 𝑉𝑖 = 0.5𝑉𝑠. Con el fin de obtener una impedancia de entrada de 50Ω en la tarjeta de adquisición, se implementó un conector T donde en una de sus entradas se conecta un terminal BNC macho que contiene una resistencia de 50Ω. En la Figura C.3 se observa el acople implementado y en la Figura C.4 el circuito de acoplamiento de impedancias.

Figura C.3 Implementación del acoplamiento a 50Ω Figura C.4 Circuito de acoplamiento de impedancias a 50Ω

De esta manera la resistencia de acoplamiento 𝑅𝑎𝑐𝑜 = 50Ω en paralelo con el circuito RC de entrada de la tarjeta modifica su impedancia de entrada a 50Ω. Aunque hay que tener presente que dada la capacitancia 𝐶𝑖 a medida que la señal que se mide es de mayor frecuencia (por encima de aproximadamente 20MHz) empezará a reducir la impedancia de entrada. Así, por ejemplo, para una señal de 20MHz la impedancia de entrada sería 45Ω y la tensión 𝑉𝑖 = 0.47𝑉𝑠.

Anexos

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Anexo C Manual de usuario de la aplicación MAPD ANEXO D MANUAL DE USUARIO DE LA APLICACIÓN MAPD A continuación se presenta un breve manual de usuario de la aplicación desarrollada MAPD (Measurement and Analysis of Partial Discharges). 1. Para correr la aplicación presione el botón run. Asegúrese de que las señales estén llegando a

la tarjeta de adquisición, y tenga presente que en el canal 0 debe medirse la señal de sincronismo mientras que en el canal 1 la señal de DP.

2. Seleccione la relación de transformación del capacitor de acoplamiento para realizar correctamente la media de tensión aplicada al objeto. La medida puede observarse en el campo Vrms HV [kV].

3. Manipule las perillas de control de escala de voltaje y tiempo para observar adecuadamente las señales en pantalla (gráficos Signals y PD Signal denoising), también puede editar estos valores en los campos Edit. Especifique el valor apropiado del factor de atenuación de la señal de sincronismo en el campo Attenuate power signal. En la casilla Display power signal puede dejar de visualizar la señal de sincronismo en el gráfico. Con la perilla position puede mover las señales a lo largo del eje 𝑥.

4. El usuario puede utilizar las paletas Graph palette (parte inferior derecha de los gráficos) para realizar diferentes tipos de zoom al gráfico, mover la señal a lo largo del eje 𝑥 o 𝑦 y habilitar el movimiento de los cursores cuando el gráfico los tiene.

5. Especifique el rango de medición de voltaje de los pulsos Voltage Range (PD) [V]. Este rango debe ser mayor a la magnitud pico máxima de los pulsos que se estén presentando. De lo contrario, la señal será recortada hasta el valor especificado y se estaría midiendo mal.

6. Especifique el tiempo de adquisición de las señales y la frecuencia de muestreo en los campos Time [s] y Sample Rate [Samples/s]. En el indicador Number of Cycles puede observarse el número de ciclos correspondientes que se van a procesar.

7. Determine el tiempo de adquisición del pulso Pulse acquisition time [s] y el umbral de voltaje Threshold [V]. Lo recomendable es que el tiempo debe abarcar la duración de un pulso y el umbral debe ser superior al ruido de fondo. El umbral de voltaje se puede observar en los gráficos como dos líneas horizontales simétricas.

Anexos

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8. Utilice las opciones del panel PD pulse waveform, que muestra en pantalla la adquisición de una señal dependiendo de los parámetros de tiempo de adquisición del pulso y umbral ingresados, la adquisición de la señal se activa con el botón Acquire waveform. Esta opción puede ser útil para determinar si el tiempo de adquisición del pulso que está especificando es muy corto o muy largo. Mediante los cursores se pueden medir parámetros de voltaje y tiempo del pulso, los cuales se pueden mover directamente en la pantalla o utilizando la opción move, la diferencia de las posiciones de los cursores en el eje 𝑥 y eje 𝑦 lo muestran los indicadores ∆𝑋 y ∆𝑌. Con la opción Bring to center (click derecho sobre la paleta cursors) se puede traer los cursores al centro de la pantalla.

9. Las mediciones de voltaje del pulso de DP en el panel Basic Measurement correspondientes a voltaje pico-pico Vpp, voltaje pico máximo Vpmax y voltaje pico mínimo Vpmin son magnitudes obtenidas de la señal adquirida en el gráfico PD pulse waveform tras pulsar el botón Acquire waveform.

10. El panel Spectrum frequency PD Pulse muestra el espectro en frecuencia de la señal adquirida en el gráfico PD pulse waveform tras pulsar el botón Acquire waveform.

11. Una vez establecidos los parámetros para el procesamiento se debe pulsar el botón process. La barra de progreso se va llenando para ir indicando al usuario cuánto tiempo puede tardar la aplicación en procesar la información, una vez la barra está llena aparecerá un mensaje indicando que el procesamiento se ha completado.

12. Los resultados del diagrama de fase resuelta pueden ser vistos en el panel PRPD Pattern y los resultados de Análisis de altura de pulsos, parámetros de Weibull, magnitudes de DP y conteo de pulsos en el panel Parameters and PHA.

13. Los botones Save data y Save image permiten guardar la información de los gráficos en formato Excel .xlsx y una imagen del gráfico en formato .JPEG respectivamente.

A continuación aparecen de forma numerada cada uno de los campos de la interfaz gráfica. La interfaz utiliza notación del Sistema Internacional (SI), por lo que el usuario debe utilizar las letras del SI para ingresar los datos (u, m, k, M). Panel Principal

1. Boton run: botón para ejecutar la aplicación. 2. Time [s]: tiempo de adquisición de las señales en segundos. El valor mínimo permitido es 50ms

y el máximo 60s. 3. Sample Rate [Samples/s]: frecuencia de muestreo con la que se adquieren ambas señales en

muestras por segundo. El valor máximo es 100MS/s. 4. Voltage Range (PD) [V]: rango de voltaje para medición de descargas parciales en Volts. Se

selecciona dependiendo de la magnitud máxima de las descargas que se estén presentando. Éste determina la resolución de la medida y el valor de referencia para la obtención del diagrama de fase resuelta.

5. Number of cycles: número de ciclos adquiridos de la señal de sincronismo. 6. Relation Capacitor: relación de transformación del capacitor de acoplamiento utilizado, la

relación es utilizada para determinar la tensión aplicada (numeral 7). Se puede seleccionar entre tres opciones: 1:500 (7kV), 1:1000 (14kV) y 1:1500 (21kV). La tensión indicada se refiere a un límite de seguridad para el módulo de adquisición.

7. Vrms en HV [kV]: medición de la tensión aplicada al objeto de prueba o tensión en el lado de alta (HV, High Voltage) del capacitor de acoplamiento.

Anexos

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8. Mediciones de voltaje de un pulso DP: muestra las mediciones de voltaje pico-pico Vpp, voltaje pico máximo Vpmax y voltaje pico mínimo Vpmin de un pulso. El pulso se adquiere cuando el usuario activa la opción Acquire waveform (numeral 31) y se puede visualizar en el Gráfico PD pulse waveform (numeral 26).

9. Calibration: la opción de calibración no está disponible al usuario, está pensada para mejoras futuras de la aplicación.

10. Botón Process: una vez estén seleccionados los parámetros para el procesamiento, el usuario debe activar esta opción para procesar las señales y obtener los resultados.

11. Barra de progreso: el procesamiento de las señales puede tardar de segundos a varios minutos dependiendo de la cantidad de información. La barra se va llenando para ir indicando al usuario cuando tiempo puede tardar la aplicación en procesar la información, una vez la barra está llena aparecerá un mensaje indicando al usuario que el procesamiento se ha completado.

12. Pulse acquisition time [s]: tiempo de adquisición del pulso de DP, crea una ventana de tiempo dentro de la cual se debe adquirir un pulso, facilitando la detección del valor pico. El tiempo está normalmente en el orden de 𝜇𝑠.

13. Thershold [V]: Umbral, permite la selección de una amplitud de voltaje (positivo y negativo) mínimo por encima del cuál la señal de DP será procesada. El nivel de voltaje se puede observar en los gráficos como dos líneas horizontales simétricas y está en el orden de mV.

14. Botón Stop: botón de parada. La aplicación se detiene una vez se active. 15. Gráfico Signals: visualiza la señal de sincronismo y los pulsos que se están midiendo. 16. Botones Save data: permiten guardar la información de los gráficos en formato excel (.xlsx). 17. Botones Save image: permiten guardar una imagen del gráfico en formato .JPEG. 18. Paletas Graph palette: permite realizar diferentes tipos de zoom al gráfico, mover la señal a lo

largo del eje 𝑥 o 𝑦 y habilitar el movimiento de los cursores cuando el gráfico los tiene. 19. Perilla Y Scale [V]: perilla de control de la escala de voltaje del gráfico Signals, también se tiene

para el gráfico PD Signal denoising. 20. Botones Edit: para editar los valores de escala de voltaje y tiempo del gráfico signals en lugar de

usar las perillas de control que tienen valores limitantes. 21. Perilla X Scale [s]: perilla de control de la escala de tiempo de los gráficos Signals y PD Signal

denoising. 22. Perilla Position: permite mover las señales a lo largo del eje x visualizadas en el gráfico Signals. 23. Display power Signal: permite visualizar o no la señal de sincronismo en el gráfico Signals. 24. Attenuate power signal: factor de atenuación para la señal de sincronismo. La señal es dividida

entre dicho factor, con esto se puede colocar la señal de sincronismo a una escala más adecuada con la señal de DP.

25. Gráfico PD Signal denoising: muestra la señal de sincronismo y los pulsos que se están midiendo, esta última elevada al cuadrado.

26. Gráfico PD pulse waveform: dependiendo de los parámetros de umbral y tiempo de adquisición del pulso que el usuario haya especificado, se crea una ventana de tiempo donde se puede visualizar un pulso individual de DP.

27. Paleta Cursors: muestra las posiciones (𝑋, 𝑌) correspondientes a los valores de (tiempo, voltaje) de los cursores C0 y C1. Con la opción Bring to center (click derecho sobre la paleta cursors) se puede traer los cursores al centro de la pantalla.

28. Botón move: permite mover los cursores mediante el uso de flechas. 29. Indicador ∆𝑿: muestra la diferencia de las posiciones 𝑋 de los cursores C0 y C1 correspondientes

a una diferencia de tiempo (∆𝑋 = |𝑡𝐶𝑂 − 𝑡𝐶1|). 30. Indicador ∆𝒀: muestra la diferencia de las posiciones 𝑌 de los cursores C0 y C1 correspondientes

a una diferencia de voltaje (∆𝑌 = |𝑉𝐶𝑂 − 𝑉𝐶1|).

Anexos

100

31. Botón Acquire waveform: permite procesar la señal de DP para obtener el gráfico PD pulse waveform (numeral 26).

32. Gráfico Spectrum frecuency PD pulse: Muestra la transformada rápita de Fourier de la señal adquirida y visualizada en el gráfico PD pulse waveform (numeral 19).

Panel PRPD Pattern

33. Phase Resolved Partial Discharge Pattern: diagrama de fase resuelta. 34. Phase Resolved Partial Discharge Pattern 3D: diagrama de fase resuelta 3D. 35. Save matrix: duarda la matriz del diagrama de fase resuelta en formato excel (.xlsx)

Panel Parameters and PHA

36. Parámetros de Weibull: muestra los valores obtenidos de los parámetros de forma 𝛽 + y 𝛽 − y de escala 𝛼 + y 𝛼 −, correspondientes a pulsos de polaridad positiva y negativa.

37. 𝑵𝑸𝑵 (Normalized Quantity Number): cantidad numérica normalizada, muestra el valor obtenido de 𝑁𝑄𝑁 + y 𝑁𝑄𝑁 − de los pulsos de polaridad positiva y negativa.

38. 𝑸𝒎 (largest repeatedly ocurring PD magnitude): magnitud pico, muestra el valor obtenido de 𝑄𝑚 + y 𝑄𝑚 − de los pulsos de polaridad positiva y negativa.

39. Magnitud de los pulsos de DP: valor en volts de la magnitud máxima 𝑄𝑚𝑎𝑥, promedio 𝑄𝑚𝑒𝑎𝑛 y minima 𝑄𝑚𝑖𝑛 de los pulsos detectados.

40. Número de pulsos: cantidad de pulsos detectados total 𝑁, positivos 𝑁 + y negativos 𝑁 −. 41. Repetición de pulsos: cantidad de descargas parciales por segundo total 𝑛, positivos 𝑛 + y

negativos 𝑛 −, medido en pulsos por segundo (pps). 42. Cantidad de pulsos por ciclo: cantidad de descargas parciales por ciclo 𝑁𝑤, por semiciclo

positivo 𝑁𝑤 + y por semiciclo negativo 𝑁𝑤 −. 43. Gráfico PHA (Pulse Height Analysis): Muestra el gráfico de análisis de altura de pulsos donde se

registra el número de pulsos por segundo (pps) en escala logarítmica en función de la magnitud de las DP. Se obtienen las curvas para cada polaridad de pulsos.

La aplicación tiene límites para los valores ingresados que evitan que el usuario ingrese magnitudes muy pequeñas o muy grandes que generen error. También cuenta con una serie de mensajes en ventanas emergentes para informar al usuario de una tarea completada, una condición anormal o una precaución, algunos de los mensajes se dan por ejemplo: Cuando la aplicación ha terminado de procesar los datos, cuando la tensión aplicada al objeto de prueba se acerca peligrosamente al límite de tensión de la tarjeta y cuando no está llegando la señal a la tarjeta, entre otros. Además, el usuario cuenta con un panel Help, donde se muestran instrucciones básicas para el manejo del programa.

Anexos

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Figura 6.1 Interfaz gráfica de usuario Panel Principal

Anexos

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Figura 6.2 Interfaz gráfica de usuario Panel Principal

Anexos

103

Figura 6.3 Interfaz gráfica de usuario Panel PRPD Pattern

Anexos

104

Figura 6.4 Interfaz gráfica de usuario Panel Parameters and PHA

Anexos

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Figura 6.5 Interfaz gráfica de usuario Panel Help

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Anexo D Mediciones con el Equipo PD Simulator ANEXO E MEDICIONES CON EL EQUIPO PD SIMULATOR El equipo PD simulator fabricado por la compañía DIMRUS (Figura D.1), incorpora un transformador y electrodos para generar diferentes tipos de descargas parciales, entregando las señales filtradas y acondicionadas para ser medidas directamente desde su salida tipo BNC.

Figura D.1 Equipo PD Simulator

Los electrodos punta-plano y barra-plano, fueron utilizados como fuentes de descargas corona y superficiales, los resultados se muestran en las figuras D.1 y D.2, y la tabla D-1.

a)

b)

Figura D.1 Electrodos punta-semiesfera (PD Simulator): a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos

107

a)

b)

Figura D.2 Electrodos barra-plano (PD Simulator): a) Fase resuelta y b) Altura de pulsos Tabla D-I Parámetros obtenidos con electrodos del PD Simulator

Punta-plano (corona)

Barra-plano (superficiales)

𝑽𝒂 [kV] 5.5 5.5

𝒕 [s] 30 10

Cantidad de pulsos

𝑵 8981 3795

𝑵 + 8981 2969

𝑵 − 0 826

𝒏 299.4 253

𝒏 + 299.4 197.9

𝒏 − 0 55.1

𝑵𝒘 4.99 6.32

𝑵𝒘 + 4.99 4.95

𝑵𝒘 − 0 1.38

Parámetros de Weibull

𝜷+ 6.3 2.8

𝜷− - 1.37

𝜶+[mV] 23.59 34.06

𝜶− [mV] - 71.37

Parámetros de Altura de pulsos

𝑵𝑸𝑵 + [mV] 24.57 15.6

𝑵𝑸𝑵 − [mV] - -27.32

𝑸𝒎 + [mV] 26.22 32.46

𝑸𝒎 − [mV] - 26.38

Magnitud de pulsos

𝑸𝒎𝒂𝒙 + [mV] 42.61 209.81

𝑸𝒎𝒂𝒙 − [mV] - 116.4

𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 + [mV] 21.38 64.43

𝑸𝒎𝒆𝒂𝒏 − [mV] - 29.75

𝑸𝒎𝒊𝒏 + [mV] 16.38 21.32

𝑸𝒎𝒊𝒏 − [mV] - 21.3

DESARROLLO DE UN SISTEMA PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y …

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