1. INTRODUCCIÓN
Una descarga parcial (DP) es un fenómeno eléctrico que ocurre dentro de un sistema aislante cuando la tensión eléctrica local supera la rigidez dieléctrica local pero no lo hace en toda la estructura aislante. Esto significa que se produce una pequeña descarga eléctrica o "chispa" entre dos puntos de un material aislante, o entre un punto del material y el aire, que no resulta en una descarga completa a través del sistema.
Las descargas parciales suelen originarse debido a una serie de factores como imperfecciones en el material aislante, incidencias de sobretensión, el envejecimiento natural del aislamiento, así como la presencia de contaminantes y humedad, entre otros. La exposición continua del sistema aislante a estas descargas parciales resulta en una degradación acelerada, atribuible a los esfuerzos eléctricos debido a la concentración del campo eléctrico en puntos localizados. Es importante destacar que el deterioro causado por las descargas parciales en el sistema aislante es generalmente irreversible y tiende a agravarse con el tiempo, comprometiendo la integridad y la eficiencia del sistema de aislamiento [1].
La degradación inducida por DPs se divide en dos categorías principales. La primera emerge de la amplificación del campo eléctrico en zonas vulnerables o sometidas a estrés eléctrico elevado. En estos puntos críticos, el campo puede intensificarse hasta superar la rigidez dieléctrica tanto del material como del aire circundante, desencadenando la ionización del medio. Durante este fenómeno, los electrones se desprenden de los átomos en el aislante y, al ser liberados, son impulsados con rapidez por el campo eléctrico. Este proceso eleva de manera notable la conductividad en las áreas comprometidas del aislante, permitiendo así el paso de una corriente eléctrica en forma de chispa. Esta forma particular de deterioro, atribuida a las DPs, se denomina bombardeo de iones y conduce a un debilitamiento progresivo del sistema aislante [1], [2].
La segunda categoría de deterioro por DPs se relaciona con las reacciones químicas desencadenadas tras el bombardeo de iones. Cuando la chispa impacta contra el material aislante, provoca la emisión de óxido nítrico y ozono. La interacción del óxido nítrico con la humedad presente alrededor del sistema de aislamiento produce ácido nítrico, conocido por su alta corrosividad. Paralelamente, el ozono, un poderoso agente oxidante, en combinación con el ácido nítrico, genera un ataque químico contra el sistema de aislamiento. Esta reacción combinada compromete y eventualmente descompone la integridad del aislamiento, llevando a una degradación acelerada y profunda [1], [2].
En ciertas situaciones, La erosión del sistema de aislamiento ocasionada por las DPs se manifiesta a través de un polvo blanco distintivo. Este residuo, a menudo confundido con simple contaminación, es en realidad un indicador revelador del daño subyacente ocasionado por las DPs, ver Figura 1.
Figura 1. Polvo blanco producto de la erosión ocasionada por las DPs [3]
2. TIPOS DE DESCARGAS PARCIALES
Los tipos de descargas parciales se definen según su origen y localización. Cada tipo tiene una influencia particular en el deterioro y envejecimiento del sistema de aislamiento.
La norma IEEE 1434 2014, detalla cada uno de los tipos de descargas, aspectos teóricos de la prueba de DPs, procedimiento e interpretación de los resultados de los diferentes métodos para medirlas.
2.1. Descargas parciales internas
Las DPs internas se generan dentro del sistema aislante debido a pequeñas cavidades o delaminaciones que proporcionan un medio con menor rigidez dieléctrica comparada con la de los materiales aislantes (Ver figura 2). Estas descargas pueden reducirse al implementar adecuadamente los procesos de manufacturación, al disminuir al máximo inclusiones gaseosas entre capas de aislamiento o delaminaciones que puedan actuar como catalizadores DPs.
Figura 2. Delaminaciones en sistema de aislamiento [1]
2.2. Descargas parciales superficiales
Este tipo de DPs se manifiestan en la superficie del aislamiento, especialmente donde el campo eléctrico tangencial es intenso. Estas descargas pueden crear un puente entre la alta tensión y el electrodo de tierra a través de caminos contaminados o grietas en el aislamiento. Son comúnmente observadas en aislamientos de máquinas eléctricas, en cadenas de aisladores sucios, terminales de cables, y otros lugares similares [4].
2.3. Descargas parciales corona
Estas descargas ocurren cuando campos eléctricos potentes en proximidad a extremos o bordes metálicos bajo alta tensión inducen la ionización del gas adyacente, resultando en el deterioro del aislante en esa área específica. Comúnmente, estas descargas se manifiestan con una luminiscencia perceptible y un sonido audible.
3. MÉTODOS PARA LA DETECCIÓN DE DESCARGAS PARCIALES
Actualmente, con el avance tecnológico, las estrategias para identificar descargas parciales (DP) se han diversificado y refinado. Las DP se caracterizan por una serie de indicadores como pulsos eléctricos, emisiones de radiofrecuencia, señales acústicas, fenómenos lumínicos y reacciones químicas específicas. La detección y evaluación precisa de las DP se realiza mediante una variedad de métodos tanto eléctricos como no eléctricos, lo que facilita un diagnóstico más completo y una respuesta más eficiente a estos fenómenos críticos.
Existen técnicas para la detección de DPs que se aplican tanto en línea como fuera de línea, lo que facilita el monitoreo continuo de la actividad de las DPs mientras el equipo está en funcionamiento, minimizando así la necesidad de interrupciones del servicio.
3.1. Medición acústica
La DP a menudo produce sonidos debido a la rápida expansión de gases en el punto de descarga, generando ondas acústicas capturables por transductores piezoeléctricos, típicamente en rangos de 20 kHz a 100 kHz. Un beneficio clave de esta técnica es su resistencia a las perturbaciones eléctricas. Aunque el entorno puede tener ruido acústico, este no impacta significativamente en la detección, ofreciendo una medida fiable en presencia de interferencias eléctricas. Una desventaja de este método es la imposibilidad de detectar la localización precisa de la DP.
3.2. Método químico
Este método aprovecha los gases generados en el aceite mineral del transformador, como etileno, acetileno y ozono, para detectar descargas parciales o sobrecalentamientos, siendo ampliamente utilizado en transformadores a través del análisis de gases disueltos (DGA). Aunque no puede localizar precisamente la descarga, señala una zona amplia afectada. Además, se el método de detección se extiende a subestaciones aisladas de Gas (GIS) utilizando la detección de componentes de gas SF6 [4].
3.3. Método óptico
Este método identifica la luz emitida durante la ionización, excitación y recombinación en descargas parciales. Una limitación es la fluctuación del espectro óptico, que varía según la intensidad de la descarga y condiciones como la temperatura y la presión del aislante [4].
3.4. Método eléctrico
El método conocido como PRPD (Phase Resolved Partial Discharge) se ha consolidado como el enfoque más fiable para interpretar las mediciones de DP. Este método analiza los pulsos de DP individualmente, considerando su frecuencia, amplitud, polaridad y fase respecto a la tensión alta. Su principal ventaja es la capacidad de vincular patrones específicos con tipos concretos de defectos del devanado, lo que facilita no solo la identificación del tipo de falla sino también su clasificación de riesgo conforme a estándares internacionales [5].
Figura 3. Descargas en el aislamiento o descargas internas [5]
Este método es descrito en la norma IEEE 1434 2014. En la sección 6 de la norma se detalla los sistemas de detección de los pulsos eléctricos. La prueba se puede realizar en línea y fuera de línea.
Los procedimientos de prueba y la interpretación de resultados se detallan en las secciones 10 y 11 de la norma.
5. IMPORTANCIA DE LA DETECCIÓN DE DESCARGAS PARCIALES
La detección de descargas parciales es crucial para prevenir fallos en equipos eléctricos de alta tensión. Permite identificar y diagnosticar problemas incipientes en el aislamiento, facilitando intervenciones tempranas para evitar daños mayores. Así, se garantiza la confiabilidad y eficiencia del sistema, se prolonga la vida útil del equipo y se reducen costos de reparaciones y paradas no programadas. Detectar descargas parciales es un componente esencial del mantenimiento predictivo y la gestión de activos en el sector eléctrico.
6. REFERENCIAS
[1] S. GREG C, C. IAN, B. EDWARD A, and D. HUSSEIN, ELECTRICAL INSULATION FOR ROTATING MACHINES. 2014.
[2] L. C. CASTRO HEREDIA, “DIAGNÓSTICO DEL AISLAMIENTO PRINCIPAL DE BOBINAS ESTATÓRICAS SOMETIDAS A ESFUERZOS TERMOELÉCTRICOS EN LABORATORIO,” 2014.
[3] A. E. González, A. García, and I. R. Campuzano, “Deterioro de generadores de alta tensión ocasionado por la separación de la pintura conductora en las bobinas del estator,” in Informacion Tecnologica, Centro de Informacion Tecnologica, 2016, pp. 181–190. doi: 10.4067/S0718-07642016000500020.
[4] J. A. Vanegas Iriarte, “DESARROLLO DE UN SISTEMA PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE DESCARGAS PARCIALES GENERADAS EN LABORATORIO,” 2016.
[5] A. Fabian Oettl, M. Krueger, W. Koltunowicz, L.-V. Badicu, and B. Gorgan, “Mediciones de descargas parciales en máquinas rotativas: experiencia e innovación,” 2018.
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