Clasificación de las descargas parciales: 14 conceptos fundamentales

En niveles de Media y Alta Tensión, tanto los cables, como así también las máquinas eléctricas y los equipos de maniobras, poseen un factor común para lograr un buen desempeño: el control eficiente de sus partes aislantes.

Descargas parciales

Tal vez pocos sepan que las descargas parciales no son simplemente un número (una cantidad), sino más bien un patrón (una imagen), que debe ser clasificada (descifrada) para determinar el estado real de una aislación (diagnóstico).

Hablando de descargas parciales, en el pasado, cuando la tecnología era primitiva (más primitiva), las cosas eran más simples. El técnico no clasificaba, si no que todo era parte de un único mal que tenía nombre: Descargas Parciales (o peor aún: Efecto Corona), pero del cual se sabía más sobre sus consecuencias, que sobre sus orígenes o mecanismos de contención.

Hoy en día, todo técnico debe procurar identificar la causa de cada anomalía o de cada enfermedad de un sistema eléctrico, dado que esto es en realidad lo que le solicitará su cliente; y de esta manera, como en la ciencia médica, el axioma que siempre debe guiarnos es: “No existe curación si primero no se diagnostica una causa”.
En su rol de clasificador, el técnico ataca al objeto de su interés, no para hacerlo desparecer, sino para controlarlo; y en descargas parciales, el problema de la clasificación descansa en su totalidad en dos premisas fundamentales: 1# Existen diferentes mecanismos de degradación dentro de un mismo sistema aislante, y 2# Existen también diferentes estados de avances; por lo tanto, el poder situar a cada tipo de defecto en categorías convenientemente rotuladas, es una acción válida desde el punto de vista científico.

Descargas parciales 1

El propósito estratégico o táctico que persigue la clasificación, es a veces obvio: Cuando el técnico atribuye la rotura de una maquina a una determinada causa, lo que ha hecho es clasificar; y por supuesto, es preferible que la clasificación se base en hechos reales y no ilusorios, sin desestimar la base empírica o científica de esa clasificación.

La necesidad de clasificar

Debemos aceptar, que las mediciones y el monitoreo frecuente de descargas parciales, constituyen una de las pruebas más efectivas para determinar el estado actual, las condiciones funcionales, y el grado de deterioro de una aislación eléctrica.

Si aceptamos que el lenguaje de la física nos ayuda a comprender y a manipular los objetos materiales; siguiendo este razonamiento: si aceptáramos de manera análoga a las técnicas de diagnóstico por descargas parciales, su lenguaje o interpretación debería cumplir también una finalidad similar: ayudarnos a comprender y a controlar a las aislaciones eléctricas.

Dado que el hombre es el único animal que clasifica (Thomas Szasz), y por ende, todo lo que aprehendemos o hacemos, deberá ser ubicado en su correspondiente categoría. Así, de manera análoga, tanto en Descargas Parciales, como en los temas de la física en general, más allá de obtener un valor o un resultado unitario (pico-/nano Coulombs), es el acto de clasificación el que constituye un hecho sumamente significativo; un avance en el diagnóstico.

Descargas parciales 2

Así como la distinción entre los animales y los seres humanos, entre el agua y la arena, es el resultado de la capacidad del hombre para crear categorías por medio de símbolos o patrones de conductas, en las descargas parciales sucede lo mismo.

Ellas, más allá de una cantidad (poca o mucha), aportan un patrón de conducta (pattern), que debe ser analizado o interpretado para decidir el tipo de defecto que adolece esa aislación.

Ya que a la ciencia en si misma se la puede considerar como la suma total de los esfuerzos humanos tendientes a comprender la naturaleza, y así adquirir cierto grado de control sobre ella; entonces, el proceso de denominación, clasificación o identificación simbólica mediante patrones, ha sido siempre el elemento básico de toda ciencia.

La clasificación representa hoy en día un paso adelante con respecto a la simple denominación: “Descarga Parcial”; pero, es cierto también, que la detección temprana de un estado de degradación del aislamiento, requiere conocimiento y una sólida comprensión de su base teórica, y ella es la denominada: física del mecanismo de producción de las descargas

Descargas parciales 3

Qué es un patrón de descargas parciales (pattern)

Lo primero que debemos comprender, es que un equipo para medición y análisis de descargas parciales, no es en simplemente un instrumento de lectura directa, como lo sería un amperímetro o un voltímetro, sino que aquí se trata de un instrumento que requiere de la interpretación de un gráfico (pattern) grabado en su pantalla, y por ende, las respuestas que estarían allí tendrán dos consecuencias: no serán únicas como en los casos anteriores, y deberán ser clasificadas, y lo que es peor aún, en esa pantalla estará la respuesta que buscamos, pero debemos saber interpretarla correctamente. Esto es lo que hace difícil a este proceso, pero la verdad está allí. El que interpreta o clasifica puede equivocarse, pero el instrumento no lo hace.

Descargas parciales: teoría

La teoría de las descargas parciales implica un análisis de los materiales, los campos eléctricos, las características del arco eléctrico, la propagación de pulsos, la atenuación, sensibilidad, respuesta en frecuencia, calibración, el ruido eléctrico, y finalmente, la interpretación de datos.

Es comprensible que la mayoría de los ingenieros de una planta no cuenten con el tiempo o las energías disponibles, para seguir un curso de estudio completo sobre todos los tópicos mencionados anteriormente. En un esfuerzo por promover una mejor comprensión de las descargas parciales (DP), el presente documento intenta proporcionar modelos simplificados, y relacionar las características de estos modelos hacia la interpretación de los resultados de las pruebas de DP.

HOY EN DÍA, TODO TÉCNICO DEBE
PROCURAR
IDENTIFICAR LA
CAUSA DE CADA ANOMALÍA O
DE CADA
ENFERMEDAD DE UN SISTEMA ELÉCTRICO, DADO QUE ESTO ES EN REALIDAD LO QUE LE SOLICITARÁ SU CLIENTE.

Por ende, el manejo de los conceptos o de los principios básicos fundamentales, nos facilitará el obtener una base de conocimiento sobre este tema. Ninguno de los conceptos detallados en este documento, pueden ser obviados y son los mínimos requeridos para una correcta interpretación de esta especialidad.

En primer lugar, vamos a presentar una serie de conceptos técnicos relativos a las descargas:

Concepto 1

Una descarga parcial puede ser descripta como un pulso eléctrico, o descarga, ocurrida en un vacío situado en el interior de una aislación, pero ocupado por un gas que también puede ser aire, (hueco – burbuja – oclusión gaseosa – void), o en una superficie dieléctrica externa, ambas pertenecientes a un sistema de aislante sólido o líquido.

Concepto 2

Este pulso o descarga parcial, puentea (cortocircuita) sólo parcialmente dos de los caminos eléctricos posibles en un sistema aislante:

A – Entre la aislación que separa (aisla) una fase de la tierra (por el interior de la aislación o por la superficie externa de la misma).

B – Entre la aislación que separa (aisla) una fase de la otra (por el interior de la aislación o por la superficie externa de la misma).

Caminos posibles de descargas

Según lo anterior, estas descargas pueden ocurrir en vacíos ubicados en cualquiera de los tres espacios disponibles entre el conductor de cobre (a potencial), y el marco de referencia a tierra del motor (estator), o en la superficie externa del aislante.

Concepto 3

De acuerdo a su ubicación, las descargas se clasificarán en internas o externas

Descargas Internas: Los huecos (defectos) pueden estar situados o bien:

A: Entre el conductor de cobre y la pared del aislamiento (interface conductor/aislamiento),

B: En la propia estructura interna de la aislación,

C: Entre la pared del aislamiento exterior y el bastidor de conexión a tierra (estator en el caso de un motor núcleo en el caso de un transformador) (interface aislamiento/conductor).

Se denomina Interface a la zona de transición entre un medio/material y otro. Ejemplo: Interface cobre/aislante es la zona de transición en donde termina el conductor y comienza la aislación. Las interfaces son las zonas más propensas a la producción de descargas.

Descarga parciales internas

Descargas Externas: A lo largo de la superficie externa del aislamiento (contorneo). Estas descargas que eventualmente puede ocurrir, significa el encaminamiento o contorneo eléctrico de la superficie de la aislación, llegando a producir un puente entre las partes a potencial (conductor), y las partes a tierra. (estator o núcleo).

Descarga parciales externas

Los pulsos eléctricos de las descargas se producen a altas frecuencias. Las descargas son efectivamente pequeños arcos que ocurren dentro del sistema aislante, por lo tanto, su deterioro puede concluir en el colapso completo del sistema aislante.

Un modelo simplificado de un sistema de aislante, puede ser representado por una capacitancia y una resistencia en paralelo.

Este es el concepto utilizado en el uso de las pruebas de tangente delta (factor de potencia) en todo sistema de aislamiento.

La corriente de pérdida o de fuga, se divide entre las trayectorias resistivas y capacitivas. El factor de potencia es el coseno del ángulo de fase entre la corriente de las pérdidas totales, y la componente resistiva de esa corriente.

Modelo sinplificado de uan aislacion

Pero es necesario entender también que el modelo anterior, que representa a una aislación real, es utilizado también en la electrónica, para esquematizar los circuitos de atenuación, en donde la atenuación de una señal eléctrica es definida como la reducción de su amplitud, y esto resalta precisamente el problema con el que nos enfrentamos en la detección de descargas parciales:

Concepto 4

El medio aislante expuesto a descargas parciales, actúa como atenuador de la señal eléctrica emitida, por lo tanto, debilitar (atenuar) esta señal, es todo lo contrario de lo que estamos necesitando para tratar de identificar su ubicación con nuestros sensores o equipos de medición de descargas.
Además, la señal atenuada de descarga parcial, puede enmascararse con otras fuentes productoras de ruido eléctrico, tema que analizaremos más adelante en este documento.

El concepto anterior que define que el sistema de aislamiento es en efecto un circuito atenuador, da lugar a problemas críticos para su detección si no se poseen los instrumentos adecuados, y aquí radica la necesidad de contar los mismos.

A diferencia de los modelos originales, en donde solo se interpretaban a las aislaciones como una capacitancia, una revisión de los modelos simplificados de las zonas que contienen vacíos, son esquematizados contemporáneamente, como conteniendo también una componente resistiva adicional, en paralelo con una componente capacitiva.

Concepto 5

Las descargas parciales, una vez iniciadas, suelen aumentar en magnitud con el tiempo de sometimiento a un estrés eléctrico, pero las descargas pueden llegar a ser cortocircuitadas por la formación de películas semiconductoras (carbones) dentro de esos vacíos, y por ende, la descarga que es precisamente un fenómeno intermitente, se termina y pasan a ser un cortocircuito parcial pero permanente, sin emisión de pulsos.

Modelo de descarga en vacios

Concepto 6

Las películas o capas semiconductoras que se hace referencia en el párrafo anterior, también pueden consistir en la carbonización del material aislante orgánico dentro del vacío, debido a los daños térmicos durante la formación de arcos. Por lo tanto el modelo o esquema eléctrico de una descarga parcial ocurrida en vacíos (huecos), es similar a la del medio de aislamiento en sí.

Concepto 7

Los modelos reales para simulación de mecanismos de fallas por descargas parciales, indican que existe una disminución en la intensidad de la descarga parcial, precisamente poco antes del completo colapso de la aislación.

Esto ocurriría cuando el arco en el interior de los huecos o vacíos, han carbonizado su superficie interna, hasta el punto donde la componente resistiva del modelo, es lo suficientemente baja para controlar una diferencia de potencial a través de ese vacío.

Esta nueva componente de menor resistencia, también permitiría mayores flujos de corriente, una calcinación adicional y daños en la estructura del aislamiento.
Dado que las descargas parciales, una vez iniciadas aumentan con el tiempo, el modelo anterior, incluyendo una componente resistiva (y no únicamente una capacitancia), se correlaciona también con los mecanismos de fallas reales en un vacío (hueco) por descarga parcial, en donde la componente resistiva disminuye y la corriente de fuga aumenta antes del colapso final.

La figura ilustra el mecanismo de falla del aislamiento deteriorado, relacionándolo con la intensidad de las mediciones de descargas a través del tiempo.

Con el desarrollo de los modelos anteriores, es posible entonces formar un modelo completo de los diversos tipos y mecanismos de descargas en un sistema aislante, anteriormente clasificadas como internas o externas.

Intensidad de las descargas

Pero volviendo al tema de la clasificación de las descargas parciales, el instrumento detector expondrá en su pantalla, un determinado tipo de figura (pattern) que estará relacionada con cada uno de los tres tipos de defectos que detalláramos anteriormente.

De esta manera, la interpretación de estos gráficos guiará al técnico sobre el real problema que está actuando sobre la integridad de la aislación.

Concepto 8

Los pulsos ubicados en el semi-ciclo positivo (pulso de polaridad negativa), indican que una mayor tendencia de las descargas se producen en la zona cercana al conductor de cobre, por lo tanto, si los pulsos de polaridad negativa son muy superiores a los pulsos de polaridad positiva, entonces la causa raíz es considerada como la de: huecos en el área del conductor de cobre/aislamiento.

Grafico cargas parciales cobre

Concepto 9

Los pulsos ubicados en el semi-ciclo negativo (pulso de polaridad positiva), indican que una mayor tendencia de las descargas se producen en la zona cercana al hierro. Por lo tanto, si los pulsos de polaridad positiva son muy superiores a los pulsos de polaridad negativa, entonces la causa raíz es considerada como: vacíos en el área de aislamiento/hierro, o en el área externa de la superficie aislante, ya que esto también acorta el camino entre la pared externa del aislamiento y el hierro.

Grafico cargas parciales Hierro

Concepto 10

Cuando los espacios vacíos o huecos, son frecuentes en la parte interna del material aislante, los pulsos de polaridad positiva como los de polaridad negativa tienden a equilibrarse.

En este sentido, cuando los pulsos de polaridad positiva y negativa son igualmente frecuentes, la causa raíz del defecto será considerada como: vacíos (huecos) dentro del material aislante en sí, y no entre el aislante / conductor / ni entre el aislante / hierro, como en los casos anteriores.

De esta manera, el modelo simplificado, intenta proporcionar una comprensión de los resultados de la medición de descargas parciales, y su interpretación en relación con las acciones correctivas.

Grafico cargas parciales corrosivas

Concepto 11

La diferenciación de la polaridad de los pulsos de descargas parciales (positivas frente a las negativas), será utilizada para relacionar las causas probables de un defecto, su ubicación, y las posibles acciones correctivas, constituyendo la base del diagnóstico por descargas parciales.

Concepto 12

Por lo tanto, si nuestro equipo de medición no lograra capturar, retener, memorizar, sincronizar y cuantificar cada descarga que se presente (eventos en el orden de los pico o nano-segundos), no será posible activar los mecanismos de diagnóstico necesarios para emitir un dictamen sobre la condición de la aislación, de aquí que cualquiera que intente utilizar un simple osciloscopio para estos fines, le estará faltando la recolección de información necesaria para una correcta evaluación.

Grafico cargas parciales cobre/hierro

Concepto 13

Para poder generar un diagnostico por descargas parciales, las medidas básicas a ilustarse en un gráfico de tres dimensiones, serán la magnitud de todas las descargas (todas), por lo general representado en pico-Coulombs o nano-Coulombs (no milivoltios), la magnitud de la mayor de ellas, la ubicación temporal en la senoide, y la frecuencia de repetición de esos pulsos, esta última representada por el número de pulsos de descarga parcial durante un ciclo completo de una forma de onda de CA., todos estos datos forman el denominado patrón “φ-q-η” o sea “fase-cantidad y repetición”.

DEBEMOS ACEPTAR, QUE LAS
MEDICIONES Y EL MONITOREO
FRECUENTE DE
DESCARGAS
PARCIALES,
CONSTITUYEN UNA DE LAS PRUEBAS MÁS EFECTIVAS PARA
DETERMINAR EL
ESTADO ACTUAL DE UNA AISLACIÓN ELÉCTRICA.

Concepto 14

La magnitud de una descarga parcial, se relaciona con la medida del “perjuicio” que produce a la aislación, o sea con la cantidad de daño que se está infringiendo al aislamiento.

La tasa de repetición de los impulsos (frecuencia de repetición), indica la cantidad de descargas que ocurren (persistencia), en los distintos niveles máximos de magnitud. Ambas medidas: Magnitud y Repetición, juegan un papel en la determinación del estado del aislamiento bajo prueba, tomando mayor importancia la frecuencia de repetición de las mismas.

Más información: www.inducor.com.ar

Ver tambien:

La investigación al servicio de los motores eléctricos y su vida útil