sistema de monitoreo on-line de bushings capacitivos - Treetech

MANTENIMIENTOSistema<strong>de</strong> Monitoreoon-line<strong>de</strong> BushingsCapacitivosMarcos Eduardo Guerra Alves,Treetech Sistemas DigitaisEste artículo <strong>de</strong>muestra elprincipio <strong>de</strong> funcionamiento <strong>de</strong>l<strong>monitoreo</strong> on-line <strong>de</strong> BushingsCapacitivos <strong>de</strong> alto voltaje enequipos como transformadoresy reactores, con ejemplos <strong>de</strong>aplicaciones y la topologíatípica <strong>de</strong> un <strong>sistema</strong>. La ventaja<strong>de</strong>l <strong>sistema</strong> es evitar las<strong>de</strong>sconexiones periódicas paralas pruebas, substituyendoel mantenimiento preventivopara el mantenimiento basadoen estado, con economía y lareducción <strong>de</strong>l riesgo <strong>de</strong> fallas.Los bushings son accesorios aplicadosa equipos <strong>de</strong> alta tensióncon el objetivo <strong>de</strong> proveer pasoa la corriente eléctrica entre el medioexterno y el interior <strong>de</strong>l equipo, proporcionandotambién el aislamiento necesarioen relación al cuerpo <strong>de</strong>l equipo.Algunos <strong>de</strong> los ejemplos <strong>de</strong> aplicaciónmás comunes son transformadores <strong>de</strong>potencia, reactores <strong>de</strong> <strong>de</strong>rivacióne interruptores <strong>de</strong> alta tensión.A pesar <strong>de</strong> tratarse <strong>de</strong> unaccesorio <strong>de</strong> los diversos equiposcitados y en general sucosto individual será relativamentepequeño comparado alcosto global <strong>de</strong>l dispositivo, losbushings <strong>de</strong>sempeñan una funciónesencial a la operación <strong>de</strong>lequipo.Por otro lado, los bushingsestán sujetos a esfuerzos dieléctricosconsi<strong>de</strong>rables y una fallaen su aislamiento pue<strong>de</strong> causar dañosno solamente al bushing, sino tambiénal equipo al cual está asociado. En casosextremos, una falla dieléctrica en unbushing pue<strong>de</strong> llevar a la total <strong>de</strong>strucción<strong>de</strong>l equipo <strong>de</strong> alta tensión (en elcaso <strong>de</strong> un transformador <strong>de</strong> potencia,por ejemplo, los perjuicios en unaocurrencia <strong>de</strong> este porte pue<strong>de</strong>n ser <strong>de</strong>algunas centenas <strong>de</strong> veces el costo <strong>de</strong>lbushing que originó el problema).De entre los diversos tipos <strong>de</strong> bushingexistentes, se <strong>de</strong>stacan para aplicaciónen equipos <strong>de</strong> alta y extra-alta tensiónlos bushings <strong>de</strong>l tipo con<strong>de</strong>nsativo,cuyo cuerpo aislante consiste <strong>de</strong> diversascapas aislantes cilíndricas concéntricas,intercaladas a capas conductorasEscelsaEl objetivo <strong>de</strong>l Sistema <strong>de</strong>Monitoreo on-line <strong>de</strong> BushingsCon<strong>de</strong>nsativos esla <strong>de</strong>tención <strong>de</strong> alteraciones enel aislamiento en su fase inicial,indicando el <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> lascondiciones que podrán conducirla falla dieléctrica em equiposcomo los transformadores yreactores.120 em ABRIL, 2005

ManteniMientoCAMADAS ISOLANTES DEPAPEL IMPREGNADO COMÓLEOCAMADAS CONDUTORASPARA EQUALIZAÇÃO DECAMPO ELÉTRICOCAPACITÂNCIAC2CAPACITÂNCIAC1TAP DE TESTEVfI fugaC1VfCircuito equivalente:~I fugaZ = R - jXÚLTIMA CAMADACONDUTORATan DPORCELANAEXTERNAVISTA SUPERIORCONDUTORPRINCIPALC2I fugaCapacitânciaC1Figura 1 – Forma constructiva <strong>de</strong> un bushing con<strong>de</strong>nsativoFigura 2 – Circuito equivalente <strong>de</strong> un bushing con<strong>de</strong>nsativoenergizadotambién cilíndricas cuya función es uniformizaral máximo el campo eléctrico.La capa conductora más interna pue<strong>de</strong>estar eléctricamente conectada al conductorprincipal, <strong>de</strong> forma que aumenteel radio y disminuya el campo eléctricoen esta región (disminuyendo tambiénlos intensos campos eléctricos quepue<strong>de</strong>n ser causados por rugosida<strong>de</strong>sen el conductor principal). La capaconductora más externa es conectada alempalme <strong>de</strong>l bushing y éste por su vezal cable tierra. Ya las capas conductorasintermedias permanecen aisladas, conpotencial flotante. Para aplicación a laintemperie, todo este conjunto estarárecubierto en un envoltorio impermeable,frecuentemente <strong>de</strong> porcelana. Laconexión <strong>de</strong> la última capa (o <strong>de</strong> una <strong>de</strong>las últimas capas) conductora al cabletierra es hecha generalmente a través<strong>de</strong> una ligación removible próxima ala base <strong>de</strong>l bushing, <strong>de</strong>nominada tap <strong>de</strong>tensión o tap <strong>de</strong> test. Ver figura 1.El conjunto <strong>de</strong>scrito arriba actúaeléctricamente como diversos con<strong>de</strong>nsadoresconectados en serie, formandoun divisor <strong>de</strong> tensión con<strong>de</strong>nsativo. Deesta forma, la diferencia <strong>de</strong> potencialtotal <strong>de</strong>l conductor principal en relaciónal cable tierra es dividida igualmenteentre los diversos con<strong>de</strong>nsadores.Cuando la tensión <strong>de</strong> operación esaplicada a un bushing con<strong>de</strong>nsativo,una corriente, <strong>de</strong>nominada corriente <strong>de</strong>fuga, pasa a circular a través <strong>de</strong> su aislamiento,<strong>de</strong>bido principalmente a sucapacitancia y en mucha menor proporción<strong>de</strong>bido a sus pérdidas dieléctricas(expresas por el factor <strong>de</strong> disipacióno tangente <strong>de</strong>lta). La figura 2 <strong>de</strong> másabajo ilustra esta situación; en esa figurapo<strong>de</strong>mos observar el equivalente121 em ABRIL, 2005eléctrico obtenido con la construcciónmostrada en la figura 1, ya con el bushingenergizado.Este es el mo<strong>de</strong>lo eléctrico equivalente“serie”. Un mo<strong>de</strong>lo eléctrico“paralelo” podría también ser aplicado,con los mismos resultados. Con el mo<strong>de</strong>loadoptado, tenemos la siguiente corriente<strong>de</strong> fuga resultante:I fuga =VfZDon<strong>de</strong> “R” representa la componenteresistiva <strong>de</strong> la impedancia <strong>de</strong>laislamiento, que genera la parte resistiva<strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> fuga, asociada alas pérdidas dieléctricas, siendo “X” lacomponente reactiva <strong>de</strong>bido a la capacitancia<strong>de</strong>l aislamiento.El objetivo <strong>de</strong>l <strong>monitoreo</strong> on-line <strong>de</strong>bushings con<strong>de</strong>nsativos es la <strong>de</strong>tección<strong>de</strong> alteraciones en el aislamiento <strong>de</strong>lbushing aún en su fase inicial, indicandoel <strong>de</strong>sarrollo <strong>de</strong> condiciones que podránllevar a la falla dieléctrica <strong>de</strong>l equipo.Para esto es necesario <strong>de</strong>tectar, conel bushing energizado, cambios en lacapacitancia y en la tangente <strong>de</strong>lta <strong>de</strong>laislamiento, o sea, cambios en la impedancia“Z” <strong>de</strong>l aislamiento <strong>de</strong>l bushing.MetodologíaEn cada uno <strong>de</strong> los bushings la corriente<strong>de</strong> fuga I fuga fluye a través <strong>de</strong> lacapacitancia C1 para el cable tierra, pasandopor el tap <strong>de</strong> test, siendo esta corrientefunción <strong>de</strong> la tensión fase-tierray <strong>de</strong> la impedancia <strong>de</strong>l aislamiento. Deesta forma, cualquier alteración en laimpedancia <strong>de</strong>l aislamiento (capacitanciao factor <strong>de</strong> disipación) se reflejaráen una alteración correspondiente en lacorriente <strong>de</strong> fuga que, teóricamente, se=VfR – j Xpodría utilizar para la <strong>de</strong>tección <strong>de</strong> laalteración ocurrida en la impedancia.Entretanto, uno <strong>de</strong> los obstáculos quese encuentra para la <strong>de</strong>tección conforme<strong>de</strong>scrito arriba es la medida <strong>de</strong> magnitud<strong>de</strong> las alteraciones que se <strong>de</strong>sea monitorear.Alteraciones tan pequeñas cuantoun incremento algébrico <strong>de</strong>l 0,3% enel factor <strong>de</strong> disipación <strong>de</strong> un bushingpue<strong>de</strong>n representar la diferencia entreun bushing nuevo, en buenas condiciones,y un bushing en el límite <strong>de</strong>l aceptable.Queda evi<strong>de</strong>nte que una alteracióntan pequeña en el factor <strong>de</strong> disipaciónprovocará una alteración prácticamenteinsignificante en la corriente <strong>de</strong> fuga <strong>de</strong>lbushing, tornando inviable su <strong>de</strong>tecciónpor medio <strong>de</strong>l <strong>monitoreo</strong> solamente <strong>de</strong>la corriente <strong>de</strong> fuga <strong>de</strong> cada bushing.Una <strong>de</strong> las técnicas que permitesuperar la limitación práctica <strong>de</strong>mostradaes la utilización <strong>de</strong> la suma vectorial<strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> fuga <strong>de</strong> los tresbushings en un <strong>sistema</strong> trifásico. En unarreglo como éste, las tres corrientes <strong>de</strong>fuga están <strong>de</strong>sfasadas entre sí en aproximadamente120º y normalmente tienenla misma medida <strong>de</strong> magnitud, pueslos tres bushings tienen capacitanciasen principio semejantes y las tensiones<strong>de</strong> las tres fases están próximas <strong>de</strong>lequilibrio. Con eso, la suma <strong>de</strong> las trescorrientes <strong>de</strong> fuga tien<strong>de</strong> a un valor bastantemenor que cada una das corrientes<strong>de</strong> fuga tomadas individualmente, comoilustrado en la figura 3(a) para una dadacondición inicial <strong>de</strong> capacitancias y factores<strong>de</strong> disipación.Suponiendo ahora que ocurra unaalteración en la capacitancia y en el factor<strong>de</strong> disipación <strong>de</strong>l bushing <strong>de</strong> la faseA, como mostrado en la figura 3(b),el Vector Alteración ∆I que expresa elMARÇO, 1998 em 121

ManteniMiento(a)Fig. 3- Corrientes <strong>de</strong> fuga <strong>de</strong> tres bushings en un <strong>sistema</strong>trifásico y su suma total; a) para una dada condición inicial ;b) con alteración en la capacitancia y factor <strong>de</strong> disipación <strong>de</strong>lbushing <strong>de</strong> la fase A.<strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong> la corriente I a <strong>de</strong> suvalor inicial hasta su valor final se reflejatambién en la corriente sumada, quees alterada en relación a su valor inicialsegundo el mismo Vector Alteración∆I:∆Ι = Ι a ACTUAL − Ι a ANTERIOR == Ι SUMA ACTUAL − Ι SUMA ANTERIOREste Vector Alteración tiene pesoprácticamente insignificante cuandocomparado a la magnitud <strong>de</strong> la corriente<strong>de</strong> fuga <strong>de</strong> la fase A. Pero lo mismo noocurre cuando este vector es comparadoa la corriente sumada, lo que permite su<strong>de</strong>tección y, por lo tanto, la <strong>de</strong>tección <strong>de</strong>la alteración ocurrida en la impedancia<strong>de</strong>l respectivo bushing.Por lo expuesto arriba, se observanalgunas características intrínsecas <strong>de</strong>lmétodo utilizado:· Es necesaria la <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong>una referencia inicial <strong>de</strong> corrientes parael <strong>sistema</strong>, para en seguida compararla alas nuevas mediciones on-line, <strong>de</strong> formaque <strong>de</strong>termine las alteraciones ocurridasen la capacitancia y en el factor <strong>de</strong> disipación<strong>de</strong> los bushings;· No es efectuada la medición <strong>de</strong>los valores absolutos <strong>de</strong> capacitancia ytangente <strong>de</strong>lta <strong>de</strong> los bushings y sí lamedición <strong>de</strong> las variaciones ocurridasen estos parámetros. Sin embargo, unavez que sean conocidos los valores iniciales<strong>de</strong> capacitancia y tangente <strong>de</strong>lta<strong>de</strong> cada bushing (valores presentes enel momento en que es <strong>de</strong>terminadala referencia inicial <strong>de</strong> corrientes), lamedición <strong>de</strong> las variaciones ocurridaspermite conocer los valores actuales <strong>de</strong>capacitancia y tangente <strong>de</strong>lta;· En caso <strong>de</strong> bushings nuevos, pue<strong>de</strong>nser utilizados como valores iniciales<strong>de</strong> capacitancia y tangente <strong>de</strong>lta los(b)valores <strong>de</strong> placad e t e r m i n a d o spor el fabricante<strong>de</strong> los bushings.Entretanto,para bushingsya en operaciónes recomendableque, en lainstalación <strong>de</strong>l<strong>sistema</strong> <strong>de</strong> <strong>monitoreo</strong>on-line,sea efectuadala medición <strong>de</strong>estos parámetrosa través <strong>de</strong> métodos convencionales,con los bushings no energizados. Asíse garantiza que están siendo utilizadospor el <strong>sistema</strong> <strong>de</strong> <strong>monitoreo</strong> valores inicialescorrectos.Una otra cosa no abordada hasta estepunto es que las corrientes <strong>de</strong> fuga y lacorriente sumada son influenciadas noapenas por los cambios en la capacitanciay tangente <strong>de</strong>lta <strong>de</strong> los bushings,sino también por alteraciones en lastensiones fase-tierra en cada bushing.Esta influencia es eliminada por medio<strong>de</strong> tratamientos matemáticos y estadísticosrealizados en las mediciones, razónpor la cual el proceso <strong>de</strong> <strong>de</strong>terminación<strong>de</strong> la referencia inicial <strong>de</strong> corrienteses efectuado en un período <strong>de</strong> tiempo<strong>de</strong> diez días <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la puesta enmarcha <strong>de</strong>l <strong>sistema</strong> <strong>de</strong> <strong>monitoreo</strong>. Ya elproceso <strong>de</strong> medición <strong>de</strong> las alteracionesocurridas, por las mismas razones, tieneuna constante <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> respuesta <strong>de</strong>aproximadamente diez días.Precauciones<strong>de</strong> SeguridadComo referida anteriormente en laintroducción, la construcción física <strong>de</strong>lbushing da origen a un divisor <strong>de</strong> tensióncon<strong>de</strong>nsativo, siendo la porción inferior<strong>de</strong> este divisor normalmente cortocircuitadaaterrando el tap <strong>de</strong>l bushing, <strong>de</strong>modo que la tensión <strong>de</strong> éste en relaciónal cable tierra es <strong>de</strong> cero volt. Para quesea posible la medición <strong>de</strong> la corriente<strong>de</strong> fuga <strong>de</strong>l bushing, este aterramientodirecto es removido y sustituido por elcircuito <strong>de</strong> medición <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong>fuga. Debido a la baja impedancia <strong>de</strong>este circuito, la tensión <strong>de</strong>l tap en relaciónal cable tierra permanece próxima<strong>de</strong> cero. Debe ser observado que, encaso <strong>de</strong> interrupción acci<strong>de</strong>ntal <strong>de</strong> estecircuito <strong>de</strong> medición, el divisor <strong>de</strong> tensióncon<strong>de</strong>nsativo generará una tensiónen el tap <strong>de</strong>l bushing que normalmentees superior a la rigi<strong>de</strong>z dieléctrica <strong>de</strong>ltap en relación al cable tierra, con riesgos<strong>de</strong> daños al bushing.Para evitar esta ocurrencia, el adaptador<strong>de</strong> conexión al tap <strong>de</strong>l bushingestá provisto <strong>de</strong> un dispositivo limitador<strong>de</strong> tensión que entra en conducciónen caso <strong>de</strong> abertura <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong>medición, constituyendo un camino <strong>de</strong>baja impedancia para la corriente <strong>de</strong>fuga, <strong>de</strong> forma que la tensión <strong>de</strong>l tapen relación al cable tierra permanece enpocos volt. Este dispositivo limitador noestá susceptible a <strong>de</strong>sgastes <strong>de</strong> naturalezaeléctrica o mecánica, lo que permiteque conduzca la corriente <strong>de</strong> fuga portiempo in<strong>de</strong>terminado.Ejemplos <strong>de</strong> aplicaciónLas figuras 4 y 5 ilustran la aplicación<strong>de</strong>l <strong>monitoreo</strong> <strong>de</strong> bushings endos instalaciones. En estas figuras sepue<strong>de</strong> observar la topología típica <strong>de</strong>un <strong>sistema</strong> <strong>de</strong> <strong>monitoreo</strong> <strong>de</strong> bushings,constituido <strong>de</strong> 3 partes básicas:· Adaptador para tap – provee laconexión eléctrica al tap <strong>de</strong>l bushing,garantizando también su selladocontra intemperies. Incorpora la proteccióncontra apertura acci<strong>de</strong>ntal <strong>de</strong>lcircuito <strong>de</strong> medición, evitando que eltap permanezca abierto;· Módulo <strong>de</strong> Medición – recibe lascorrientes <strong>de</strong> fuga <strong>de</strong> tres bushings<strong>de</strong> un conjunto trifásico, efectúa lasmediciones <strong>de</strong> estas corrientes y unprimero nivel <strong>de</strong> procesamiento <strong>de</strong> lasinformaciones, disponiéndolas para elmódulo <strong>de</strong> interfaz a través <strong>de</strong> unapuerta <strong>de</strong> comunicación serial;· Módulo <strong>de</strong> Interfaz – recibe lasinformaciones <strong>de</strong>l módulo o <strong>de</strong> losmódulos <strong>de</strong> medición y efectúa suprocesamiento matemático y estadístico,disponiendo como resultado losvalores actuales <strong>de</strong> capacitancia y tangente<strong>de</strong>lta en las pantallas frontales.Típicamente, este módulo proporcionasalidas analógicas (mA), contactos<strong>de</strong> alarma y puertas <strong>de</strong> comunicaciónserial.En la figura 4 son monitoreados losbushings <strong>de</strong>l primario y <strong>de</strong>l secundario<strong>de</strong> dos transformadores trifásicos122 em ABRIL, 2005

MantenimientoacbdFigura 4 – Monitoreo <strong>de</strong>bushings en transformadorestrifásicos230/138kV 150MVA, en operación enel sur <strong>de</strong> Brasil: (a) Adaptador <strong>de</strong> tapen uno <strong>de</strong> los bushings <strong>de</strong>l primario; (b)Adaptador <strong>de</strong> tap en uno <strong>de</strong> los bushings<strong>de</strong>l secundario; (c) Módulos <strong>de</strong> mediciónpara los bushings <strong>de</strong>l primario y <strong>de</strong>lsecundario; (d) Módulo <strong>de</strong> interfaz.En la figura 5 son monitoreados losbushings <strong>de</strong>l primario y <strong>de</strong>l secundario<strong>de</strong> dos bancos <strong>de</strong> transformadoresmonofásicos 525/230kV 1000MVA,en operación en San Diego, California,EEUU: (a) Adaptador <strong>de</strong> tap en uno<strong>de</strong> los bushings <strong>de</strong>l primario; (b)Adaptador <strong>de</strong> tap en uno <strong>de</strong> los bushings<strong>de</strong>l secundario; (c) Panel centralizadorpara uno <strong>de</strong> los bancos <strong>de</strong>transformadores con los módulos <strong>de</strong>medición para los bushings <strong>de</strong>l primarioy <strong>de</strong>l secundario; (d) Módulo <strong>de</strong>interfaz instalado en la sala <strong>de</strong> control<strong>de</strong> la subestación.acbdFigura 5 – Monitoreo <strong>de</strong> bushings entransformadores monofásicosConclusiónLos bushings con<strong>de</strong>nsativos <strong>de</strong> altatensión son un accesorio esencial parala operación segura <strong>de</strong> diversos equipos<strong>de</strong> alta tensión, tales como transformadores<strong>de</strong> potencia e interruptores. Esteartículo <strong>de</strong>mostró el principio <strong>de</strong> funcionamientoque permite el <strong>monitoreo</strong>on-line <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong> bushing, asícomo algunos ejemplos <strong>de</strong> aplicacionesy la topología típica <strong>de</strong> un <strong>sistema</strong> <strong>de</strong><strong>monitoreo</strong>.Con eso, pue<strong>de</strong>n ser reducidas oincluso eliminadas las <strong>de</strong>sconexionesperiódicas para testes con el bushingno energizado, sustituyendo el mantenimientopreventivo por el mantenimientobasado en el estado. A<strong>de</strong>más <strong>de</strong>lahorro obtenido al eliminar <strong>de</strong>sconexionesy procedimientos <strong>de</strong> mantenimientoque se revelan innecesarios en la mayoría<strong>de</strong> las veces, el <strong>monitoreo</strong> on-line<strong>de</strong> los bushings reduce el riesgo <strong>de</strong>fallas catastróficas que puedan ocurriren el intervalo <strong>de</strong> los mantenimientospreventivos, que generalmente tienenperiodicidad <strong>de</strong> años.123 EM ABRIL, 2005MARÇO, 1998 em 123