ANALIZADOR ACUSTICO PARA MEDIDA DE DPs Y ARCOS VOLTAICOS EN AISLAMIENTOS DE TRANSFORMADORES

      Fruto de la investigación de los problemas que suceden en los transformadores, y el desarrollo de soluciones para su análisis, Montajes Alhama S.L.U. diseña equipos de medida capaces de localizar y analizar señales que provienen de las DP (Descargas Parciales) y arcos voltaicos en los aislamientos de transformadores refrigerados por acéite. El analizador de Vibración E.L.M. 20-1, y el analizador de SFRA E.L.M. 1G-2 cubren sobradamente, el análisis de este tipo de anomalías, que suceden en los transformadores de potencia.

Medidas de pulsos acústicos producidos por DPs cuando el transformador se encuentra energizado

      En transformadores refrigerados por aceite, es esencial medir la ausencia de pulsos producidos por ondas acústicas internas (AE), en el espectro de frecuencias comprendido entre 40 KHz y 400 KHz. Para no confundirnos explicaremos que los pulsos de presión acústica que producen los arcos voltaicos entre fases o entre fases y la cuba de los transformadores, causan ondas acústicas que son transportadas por el aceite dieléctrico, el origen de este tipo de anomalía es el bajo aislamiento del aceite dieléctrico. Existen otro tipo de arcos voltaicos que se producen entre espiras de la misma bobina causados por un aislamiento deficiente entre los hilos que formas las bobinas, que pueden ser detectados mediante el generador de impulso de sobretensión, para mejor comprensión puede visitar el apartado de la barra de menú, I+D Analizadores/Generador de Impulso de Sobretensión, o pinchar en el siguiente enlace: /generador-de-impulso 

      En las mediciones que se realizan para evaluar aislamientos de los transformadores que son refrigerados por aceite dieléctrico, puede suceder, que ninguna de las medidas eléctricas que se les realiza muestre debilidades dieléctricas, por el contrario, cuando un aparato transformador se encuentra funcionando conectado a una red eléctrica, y su tensión nominal de alimentación es anormalmente elevada en varios miles de voltios como puede suceder cuando la carga de la planta se encuentre en vacío, es típico que la línea de alta tensión que parte de una subestación que solo alimenta a una instalación, y ésta trabaja con poca carga, la tensión pueda encontrarse anormalmente elevada, esto puede ser normal, ya que las compañías suministradoras pueden tener una oscilación del voltaje de suministro, por ejemplo para 20 KV, puede oscilar entre 18.500 V y 21.500 V, según ITC-RAT04. En la práctica estas diferencias de voltajes son incluso mayores porque a las líneas existentes se les conectan nuevas instalaciones sin modificar la sección de los conductores de dichas líneas, y por lo tanto la caída de tensión es mayor, lo cual también significa que cuando la líneas transportan poca carga su tensión sea mucho mayor.

      En los transformadores en los cuales sus dieléctricos o aislamientos se encuentran en malas condiciones, pueden surgir arcos voltaicos de pequeña magnitud entre los devanados y masa, o entre los mismos devanados de distintas fases, que en tiempo breve derivan en una averia, dejando el transformador fuera de servicio por disparo de su protección, si es que ésta funciona correctamente. El conocimiento de esta anomalía nos capacita para anticiparnos y tomar las decisiones oportunas y realizar el reacondicionado de los aislamientos antes de que el transformador falle.

      A continuación, en la siguiéste imagen se muestra la descripción de un sensor para detectar las ondas de presión acústica producidas por defectos de aislamiento

      En estas condiciones se pueden producir arcos voltaicos de pequeña magnitud entre los conductores de alta tensión de las bobinas de una fase, por encontrarse los aislantes al límite de sus propiedades, sin que se llegue a producir la perforación dieléctrica. Es típico que suceda ésta anomalía cuando se trabaja al límite de la tensión de diseño de los aislamientos, o entre fases y masa de la cuba, también por haberse superado la tensión de trabajo en algunos miles de voltios , o por encontrarse muy deteriorados los aislamientos. Estos arcos voltaicos producen ondas de presión acústica en el aceite del transformador, éstas ondas se propagan a través del aceite y chocan con las paredes metálicas de la cuba, la magnitud de este tipo de anomalías es muy pequeña, y solo puede ser detectada con sensores acústicos de alta sensibilidad adecuados para cubrir el rango de frecuencias que producen estos fenómenos físicos. El conocimiento de este tipo de anomalías nos capacita para tomar las decisiones adecuadas de restitución de aislamientos y no dejar que éste tipo de problemas se conviertan en averías, o que el desperfecto progrese a peor, pues ello conduce a los inevitables tiempos de paradas, perdidas de la producción, y reparaciones costosas.     

      Para la detección de deformaciones y defectos mecánicos producidos en los materiales se utilizan dos métodos, el primero es mediante sensores de vibración, el segundo utilizando sensores acústicos (AE), la principal diferencia entre los dos tipos de sensores consiste en que los sensores de vibración traducen frecuencias desde 1 Hz a 20 KHz (20.000 Hz), éstos se utilizan por ejemplo para detectar problemas en rodamientos y anomalías de origen mecánico, por su parte los sensores AE centran su sensibilidad entre 40 KHz y 400 KHz.

      Existen dos tipos de sensores AE, simples con un solo sensor en la capsula, y diferenciales con dos sensores de polaridad opuesta alojados en la misma capsula. Los sensores acústicos AE trabajan en un rango maximo de frecuencias comprendido entre 20 KHz y 5 MHz, por lo tanto, los sensores AE son más sensibles con altas frecuencias. La tensión generada por los sensores AE es de muy baja amplitud (μV o pocos mV), los sensores diferenciales son más sensibles que los sensores simples, por esta razón se necesita una etapa amplificadora con ganancias comprendidas entre 20 y 60 dB (decibelios), dependiendo de la amplitud de la fuente. Las frecuencias AE se encuentran en un rango del espectro inaudible para el oído humano. Entre la multitud de usos de este tipo de sensores se encuentra indicado para la detección de descargas parciales (DP) en aparatos eléctricos de media y alta tensión, en especial para la evaluación de problemas de aislamiento en transformadores refrigerados por acéite dieléctrico.

      La principal ventaja de los sensores diferenciales consiste en la identificación precisa de las señales DP que interesa analizar, pues éstas señales producen ondas de presión acústica sobre las paredes metálicas de los transformadores, en un espectro de frecuencias situado en el rango de frecuencias que cubren los sensores AE. Cuando se examinan señales acústicas, los sensores pueden transportar mucha información de frecuencias y ruidos de diferente procedencia, como armónicos de red, ruido de comunicaciones, etc., con un filtrado selectivo solo dejaremos pasar hacia el equipo de análisis la banda de frecuencias que interesa analizar, dentro de esta banda también puede existir ruidos y señales que no pertenecen a DPs. Básicamente estos ruidos solo tienen una polaridad que no cambia en el tiempo, o un solo pulso siempre de polaridad fija de amplitud predominante sobre el resto de pulsos de polaridad alternante.

      En la siguiénte imagen se muestra uno de nuestros sensores acústicos diferencial AE de alta sensibilidad para detección de descargas parciales en transformadores, desarrollado por el Dr. Aoki de Fuji Ceramics Corporation para Montajes Alhama S.L.U., dispone de extremada sensibilidad con 0,00125 pC/ms², lo cual supone un record en el ancho de banda del espectro de frecuencias AE.

 

      Los sensores diferenciales funcionan en dos direcciones, o sea, con dos polaridades de salida opuestas desde el inicio de la señal de defecto que se pretende analizar, dicho de otro modo, desde el inicio de un defecto la tensión de salida por los dos cables adquiere voltajes de polaridad opuesta a 180°, o sea, cuando una señal acústica es adquirida por el sensor AE diferencial, en uno de los cables se obtiene el voltaje de polaridad positiva, por ejemplo: 0,170 Voltios, y en el otro cable tendremos en ese mismo instante el voltaje pero de polaridad negativa, -0,170 Voltios.

      Los voltajes de polaridades diferentes obtenidos por los dos sensores que contiene la capsula de un sensor AE diferencial se encuentran opuestos en fase en el tiempo, esto quiere decir que un pulso de descarga parcial DP, producido por un defecto del aislamiento en un aislante líquido, como el aceite de la cuba de un aparato transformador, se traduce a su vez en una onda de presión acústica sobre el sensor, que se instala adosado a la cuba del transformador, el cual generara una onda de tensión creciente de polaridad positiva (+) en un cable, y al mismo tiempo otra tensión decreciente de polaridad negativa (-) en el otro cable, estos pulsos pasan por un preamplificador especial que solo amplifica las tensiones diferenciales que tienen un desfase de 180°, de este modo se discrimina y filtra el ruido de señales no deseadas, que son de polaridad alterna consecutiva, o aleatoria.

      Los preamplificadores diferenciales para sensores AE incorporan un filtro digital de frecuencias de paso bajo, más otro filtro de paso alto que solo dejan pasar las frecuencias de interés. Las DP que se producen en el interior de la cuba de un transformador eléctrico con dieléctrico de aceite generan ondas de presión acústica AE en un espectro comprendido entre 40 KHz y 350 KHz, concentrando su mayor energía en pulsos que se producen en el rango de frecuéncias comprendido entre 120 y 180 KHz.

      La imagen siguiénte muestra un anplificador para sensor AE diferencial

 

      El análisis de descargas parciales por detección acústica AE es una tecnología madura. Básicamente los sensores diferenciales tienen salida por dos cables que se conectan a un preamplificador para filtrar y eliminar el ruido de señales no deseadas y amplificar las señales de interés.

      El circuito clásico para la detección de ondas de presión acústica producidas por las DPs sobre la cuba de un transformador eléctrico con aislamiento de aceite mineral se encuentra en el esquema sinóptico siguiente.

 

      Con objeto de no condenar el funcionamiento de un transformador por causa de error de interpretación de los pulsos de AE recopilados durante un análisis, se adquieren en el mismo registro las ondas de presión acústica sospechosas, y las ondas de la tensión fundamental del suministro eléctrico, adquiriendo las dos ondas al mismo tiempo en el registro, donde sin lugar para la duda encontraremos los pulsos producidos por el sensor AE coincidentes con valores de tensión elevados, respecto de cualquiera de las tres fases de alimentación. En efecto un pulso registrado por el sensor que se encuentre cerca del paso por cero voltios de la onda fundamental del suministro eléctrico, no será válido, y por lo tanto se debe descartar como defecto, porque la descarga parcial que produce la señal acústica dentro del transformador, casi siempre coincide con valores altos de la onda de tensión de la red, y no con valores reducidos de la misma, de esta forma se excluyen los errores de interpretación.

     A continuación, se muestra en la imagen inferior el registro de un pulso de DP capturado en una medición con un sensor acústico diferencial, en dicha imagen podemos observar la coincidencia de la magnitud más elevada de dicho pulso, coincidiendo con la tensión máxima negativa de la onda fundamental del suministro eléctrico de la red de baja tensión del aparato transformador. Esto se traduce en una onda de presión acústica producida por un defecto del aislamiento que ha generado una descarga parcial dentro de la cuba de un transformador. 

 

 

     La onda fundamental del suministro eléctrico aparece en color negro, el valor máximo instantáneo de dicha onda es de aproximadamente 566 V PK (Pico) para los ciclos positivos y de -566 V PK para los ciclos negativos, así con esto tenemos, 566/Ѵ² = 400,22 V RMS, que es el valor de la tensión eficaz de la red, ésta es la tensión en voltios que se puede medir con cualquier voltímetro de corriente alterna. La traza en color rojo corresponde al voltaje positivo adquirido por uno de los dos sensores de la capsula del dispositivo diferencial, el de color azul corresponde al otro sensor de la misma capsula. Para que se den las circunstancias de que la señal captada por los sensores, provenga de un pulso producido por una descarga parcial, las dos magnitudes deben estar en fase y ser de polaridad opuesta, si no reúne estas dos condiciones, las señales captadas por los sensores no provienen de una DP.

     En la siguiente imagen inferior se muestra en detalle de forma amplificada, una sección de la misma captura de la imagen anterior, en la cual aparecen los pulsos positivos y los negativos adquiridos por el sensor AE diferencial, coincidentes en fase en el tiempo, pero con la polaridad opuesta a 180 grados. Como se ha explicado anteriormente, las señales de defectos producidos por las DP producen ondas de presión acústica que son captadas por los dos sensores que contiene la capsula del dispositivo AE diferencial, generando señales de tensiones alternas de polaridad opuesta, que inequívocamente son señales propias de defectos producidos por DPs.   

 

      A continuación, en la siguiente imagen, podemos observar que el pulso registrado por el sensor AE coincide con el paso por 0 V (cero voltios) de la tensión del suministro eléctrico, y por lo tanto no es un pulso DP generado por un defecto de aislamiento.   

 

      En la figura anterior, el voltaje de la onda fundamental de la red eléctrica en el momento de producirse el pulso captado por el sensor AE, es el mínimo, y por lo tanto debemos descartar que se trate de un defecto producido por una descarga parcial dentro del transformador. En el instante de adquirirse la señal acústica, ésta se encontraba cerca del paso por cero voltios de la tensión de red (traza de color negro), por esto la tensión presente entre los conductores de los devanados y la masa del transformador es pequeña, y no alcanza la magnitud suficiente para producir la ionización dentro de los huecos o vacuolas de los aislamientos, que pudiese generar un arco voltaico denominado descarga parcial. En la imagen anterior a ésta última, la señal acústica adquirida por el sensor se encontraba cercana al valor máximo de la tensión de red, y por lo tanto debemos considerarla como una señal proveniente de un defecto de aislamiento que produce una descarga parcial.

      Para comprobar problemas de aislamiento de devanados en transformadores dentro de la cuba de éstos, se pueden emplear uno o varios sensores acústicos AE al mismo tiempo con el propósito de localizar el punto aproximado del defecto dentro de la cuba del transformador, con objeto de facilitar su localización para su posterior análisis o reparación.