Investigación sobre la tecnología de detección de descargas parciales para unidades principales de anillo con aislamiento sólido

Con el desarrollo de las redes eléctricas urbanas, el número de instalaciones de unidades de anillo principal (RMU) con aislamiento sólido ha aumentado continuamente. Su estado operativo tiene un impacto significativo en la confiabilidad del suministro de energía del sistema eléctrico. Las consecuencias de los fallos son graves: los daños directos incluyen daños en las líneas y equipos protegidos, así como la pérdida de energía; las consecuencias indirectas causan cortes generalizados de clientes, interrumpiendo la vida diaria, la producción e incluso la estabilidad social.

Actualmente, las insuficiencias de los métodos de prueba de campo para el equipo RMU con aislamiento sólido y la frecuencia de fallas de aislamiento en los interruptores en operación representan una amenaza seria para la operación segura del sistema de energía. La detección de descargas parciales (PD) es un método efectivo para evaluar la condición de aislamiento de los interruptores y es un enfoque de investigación actual. Realizar la detección de PD y el diagnóstico de fallas en los interruptores de alta tensión proporciona información crucial sobre el estado para el mantenimiento basado en condiciones y es clave para garantizar la operación segura y confiable del equipo. En los interruptores de alta tensión, la degradación del aislamiento que lleva a fallas de aislamiento no solo se debe a campos eléctricos, sino que también puede desarrollarse debido a fuerzas mecánicas, calor o su acción combinada con campos eléctricos, lo que finalmente afecta la calidad y la confiabilidad del suministro de energía. Para estandarizar y implementar eficazmente las pruebas en vivo del equipo de energía, y haciendo referencia a normas relevantes nacionales e internacionales, principalmente basadas en la Notificación de Subestaciones de Producción de la Corporación Estatal de Red [2011] No. 11 "Notificación sobre la Emisión de la 'Especificación Técnica para Pruebas en Vivo del Equipo de Energía (Prueba)'", esta investigación se centra en la detección de descargas parciales para RMUs.

​II. Métodos de Detección de Descargas Parciales para Unidades de Anillo Principal​

​1. Formas de Energía de PD​
La descarga parcial es una descarga pulsada. Además de implicar la transferencia de carga y la disipación de potencia, el proceso de PD también genera radiación electromagnética, ondas ultrasónicas, luz, calor y nuevos subproductos químicos. Los métodos de detección dirigidos a estos fenómenos incluyen la detección eléctrica, acústica, óptica y química. Entre estos, los métodos eléctricos y acústicos son los más comúnmente utilizados, pero su efectividad práctica a menudo está limitada, principalmente debido a la interferencia de ruido significativa en el sitio que dificulta distinguir las señales de PD genuinas. Eliminar eficazmente la interferencia es crucial para mejorar el rendimiento de detección del equipo de PD.

Fenómenos Detectados:

• ​Eléctrico:​​ (sensores TEV, UHF, HFCT)
• ​Acústico:​​ (sensores ultrasónicos)
• ​Óptico:​​ (visible a través de ventanas de observación en ubicaciones específicas durante la descarga)
• ​Térmico:​​ (infrarrojo, aunque la efectividad de la detección está limitada por la estructura totalmente cerrada del RMU)
• ​Químico/Gas:​​ (olor a ozono, etc.)

​2. Tecnologías de Detección​
Numerosos métodos de detección de PD se emplean actualmente para los interruptores, clasificados ampliamente como ​Métodos Directos​ (detección de cantidad aparente de descarga) y ​Métodos Indirectos​ (TEV, ultrasónico, UHF, detección acústo-eléctrica combinada). El método directo es relativo; implica inyectar una cantidad conocida de carga entre los terminales del objeto de prueba para crear un cambio de voltaje terminal equivalente al causado por un evento de PD. Esta carga inyectada luego se refiere como la Cantidad Aparente de Descarga (Q) de la PD, medida en picocoulombs (pC). En la práctica, la cantidad aparente de descarga no es igual a la carga real emitida en el sitio de descarga dentro del objeto de prueba; esto último no se puede medir directamente. Si bien la forma de onda de voltaje generada a través de la impedancia de medición por el pulso de corriente de PD puede diferir de la causada por el pulso de calibración, las lecturas de respuesta en los instrumentos generalmente se consideran equivalentes. A continuación, se presentan dos técnicas de detección de RMU principales.

​1) Detección Ultrasónica para RMUs con Aislamiento Sólido​
Recibiendo señales ultrasónicas transmitidas a través del aire y midiendo la presión acústica de la señal de PD, se puede inferir la intensidad de la descarga. Durante las pruebas ultrasónicas, el sensor debe escanear a lo largo de las costuras/grietas en la superficie del interruptor. Los diagramas de referencia proporcionan orientación sobre las ubicaciones típicas de detección.

​2) Principio de Detección de Voltaje Transitorio a Tierra (TEV)​
Cuando ocurre una PD dentro de un gabinete de interruptor de alta tensión, fluye una corriente pulsada de muy corta duración a lo largo del canal de descarga, excitando ondas electromagnéticas transitorias. La rapidez del proceso de descarga resulta en un pulso de corriente con fuerte capacidad de radiación electromagnética de alta frecuencia. Esta radiación puede propagarse a través de aberturas en la carcasa metálica, como juntas de sellado o grietas alrededor del aislamiento. Cuando estas ondas electromagnéticas de alta frecuencia se propagan fuera del gabinete, inducen un voltaje transitorio en la superficie exterior en relación con la tierra. Este voltaje transitorio en la tierra (TEV) varía desde milivoltios hasta voltios con un tiempo de subida de unos pocos nanosegundos. Un sensor TEV dedicado colocado en el exterior del gabinete puede detectar esta señal de manera no invasiva.

Ubicaciones Principales de Detección de TEV (en paredes opuestas del gabinete):

• Barras colectoras (conexiones, pasadores de pared, aisladores de soporte)
• Interruptores
• Transformadores de corriente (TC)
• Transformadores de tensión (TT)
• Terminaciones de cable
  Estos componentes se encuentran típicamente en las secciones media e inferior del panel frontal, las secciones superior, media e inferior del panel trasero, y las secciones superior, media e inferior de los paneles laterales.

​III. Localización de PD e Identificación de Fase​

Una vez que se confirma que las señales de los sensores provienen del interior del equipo, se utiliza la localización por diferencia de tiempo de llegada (TDOA) para un análisis posicional adicional. Se colocan dos sensores en la superficie del equipo; se analiza la diferencia de tiempo entre sus señales recibidas (t2 - t1) para determinar la ubicación de la PD, generalmente dentro de un rango de 1 metro de la fuente.

​1. Método de Diferencia de Tiempo:​​
Suponga que la fuente de PD está a una distancia X del sensor 1, velocidad de la onda electromagnética = c (velocidad de la luz), y la diferencia de tiempo t2 - t1 se mide mediante un osciloscopio.
X = (t2 - t1) * c / 2
Usando esta fórmula y una cinta métrica, se puede determinar la posición X.

​2. Método de Bisectriz de Plano:​​

• Mueva los dos sensores en el espacio hasta que el tiempo de llegada de la señal de PD sea idéntico en ambos. Esto ubica el punto de descarga en el plano bisector perpendicular entre los dos sensores (Localizando el Plano).
• Mueva los sensores dentro de este plano bisector hasta que el tiempo de llegada sea idéntico nuevamente. Esto ubica el punto de descarga en la línea bisectora perpendicular dentro de ese plano (Localizando la Línea).
• Mueva los sensores a lo largo de esta línea bisectora hasta que el tiempo de llegada sea idéntico una vez más. Esto determina la ubicación exacta de la descarga (Localizando el Punto).

​Para identificar la fase específica que experimenta PD, se utiliza el método HFCT​ para detectar señales en los conductores de tierra (o cuerpo) de los cables trifásicos de salida adyacentes. La señal de corriente de la fase defectuosa presenta una amplitud mayor y polaridad opuesta en comparación con las señales en las otras dos fases, lo que permite la identificación directa de la fase defectuosa.