Resumen

La capacitancia y la tangente delta son reconocidas como algunos de los principales parámetros para diagnóstico de condición del aislamiento de bujes, por ser directamente afectados por el deterioro del aislamiento. Este artículo presentará una técnica para monitoreo online de la capacitancia y tangente delta de bujes, además de la experiencia con su utilización en campo para monitoreo de bujes de 550kV y 245kV en autotransformadores y reactores de potencia.

Serán descritos los resultados obtenidos durante aproximadamente un año, inclusive con la detección online de deterioro del aislamiento de un buje de 550kV, evitando una posible falla con explosión, lo que fue posteriormente comprobado a través de mediciones offline de capacitancia y tangente delta y por análisis de cromatografía de gases en muestra de aceite del buje.

Adicionalmente, serán presentadas las cuestiones prácticas relacionadas con la instalación de los sistemas de monitoreo online de bujes, tanto en transformadores equipados con Dispositivos de Potencial de Buje (DPB), donde el tap del buje ya se encuentra ocupado, como en equipos donde fue posible la conexión directa al tap del buje.

A pesar de tratarse de un accesorio de los diversos equipos citados, y de en general su costo individual ser relativamente pequeño comparado con el costo global del dispositivo, los bujes condensivos desempeñan una función esencial para la operación de equipos de alta tensión, tales como transformadores de potencia y reactores de derivación.

Por otro lado, los bujes están sujetos a esfuerzos dieléctricos considerables, dado que es el primer equipo en recibir eventuales sobretensiones derivadas de maniobras, impulsos atmosféricos u otros fenómenos. Una falla en su aislamiento puede reflejarse en daños no sólo en el buje, sino también en el equipo a que está asociado. En casos extremos, una falla dieléctrica en un buje puede llevar a la total destrucción del equipo de alta tensión, además del riesgo para las personas próximas.

Para evitar ese tipo de ocurrencia, las concesionarias de energía utilizan tradicionalmente programas de mantenimiento preventivo basados en el tiempo, retirando el equipo de servicio periódicamente para mediciones offline de capacitancia y tangente delta del aislamiento de los bujes. Tomándose como ejemplo la norma ANSI/IEEE C57.19.100-1995 (1), son indicados intervalos típicos de 3 a 6 años para efectuarse esas mediciones. Sin embargo, esa filosofía de mantenimiento presenta las siguientes desventajas principales:

• La posibilidad de que se desarrollen defectos en el período de tiempo entre dos mediciones, culminando en fallas graves;
• La necesidad de desconexión del equipo para realizarse las mediciones, acarreando costos por indisponibilidad y reduciendo la confiabilidad general del sistema eléctrico; y
• La ocupación de los equipos de ingeniería de mantenimiento, generalmente con número reducido de personas, para la realización de las pruebas.

En el caso de Furnas, el intervalo normal previsto en el plan de mantenimiento de la empresa para esas mediciones era de 6 años. Mientras tanto, en el caso de la Usina de Serra da Mesa, sospechas en relación con una determinada familia de bujes llevaron a la necesidad de reducción del intervalo entre las mediciones offline para sólo 3 meses en un banco de autotransformadores monofásicos de 133,33MVA 550/245/13,8kV y un banco de reactores monofásicos de 55MVA 550kV, elevando mucho los costos de mantenimiento y de indisponibilidad del sistema.

La alternativa para superar esas desventajas del mantenimiento basado en el tiempo es el monitoreo online de la capacitancia y de la tangente delta de los bujes, que permite que esas mediciones sean hechas de forma continua y durante la operación normal del equipo. De esa manera, en noviembre de 2005 fue instalado el sistema de monitoreo de bujes BM, de la marca Treetech, para monitoreo online de la capacitancia y de la tangente delta de esos bujes.

Los bujes del tipo condensivo tienen su cuerpo aislante constituido de diversas capas aislantes cilíndricas concéntricas, intercaladas con capas conductoras también cilíndricas cuya función es uniformizar al máximo el campo eléctrico, como muestra la figura 1. La capa conductora más externa es conectada al empalme del buje, y este a su vez a tierra. Las capas conductoras intermedias, por su parte, permanecen aisladas, con potencial fluctuante, con excepción de una de las más externas, que es conectada a tierra a través de una conexión removible próxima a la base del buje, denominada tap de tensión o tap de prueba (figura 1). Para aplicación a la intemperie, ese conjunto, denominado cuerpo condensivo, estará en un envoltorio impermeable, que puede ser de porcelana, silicona o material polimérico a base de silicona.

Figura 1 – Forma constructiva de un buje condensivo

El conjunto descrito arriba actúa eléctricamente como diversos capacitores conectados en serie, formando un divisor de tensión capacitivo. De esa forma, la diferencia de potencial total del conductor principal en relación con el tierra es dividida entre los diversos capacitores.

Figura 2 – Circuito equivalente de un buje condensivo energizado

Cuando la tensión fase-tierra es aplicada al buje, una corriente, denominada corriente de fuga, circula a través de su aislamiento, debido principalmente a su capacitancia, y en mucho menor proporción debido a sus pérdidas dieléctricas (expresadas por el factor de disipación o tangente delta). La figura 2 ilustra esa situación; en ella podemos observar el equivalente eléctrico obtenido de la construcción mostrada en la figura 1, ya con el buje energizado. Ese es el modelo eléctrico equivalente “serie”. Un modelo eléctrico “paralelo” podría también ser aplicado, con los mismos resultados. Con el modelo adoptado, tenemos la siguiente corriente de fuga resultante:

Donde “R” representa el componente resistivo de la impedancia del aislamiento, que genera la parte resistiva de la corriente de fuga, asociada a las pérdidas dieléctricas, siendo “X” el componente reactivo debido a la capacitancia del aislamiento.

El objetivo del monitoreo online de los bujes condensivos es la detección de alteraciones en el aislamiento del buje aún en su fase inicial, indicando el desarrollo de condiciones que podrían llevar a la falla dieléctrica del equipo. Para eso es necesario detectar, con el buje energizado, cambios en la capacitancia y en la tangente delta del aislamiento, o sea, cambios en la impedancia “Z” del aislamiento del buje.

En cada uno de los bujes, la corriente de fuga fluye a través de la capacitancia C1 hacia tierra, pasando por el tap de test o de tensión, siendo esa corriente función de la tensión fase-tierra y de la impedancia del aislamiento. De esa forma, cualquier alteración en la impedancia del aislamiento (capacitancia o factor de disipación) se reflejará en una alteración correspondiente en la corriente de fuga que, en teoría, se podría utilizar para la detección de la alteración ocurrida en la impedancia.

Uno de los obstáculos que se encuentra para la detección conforme descrito arriba es el orden de magnitud de las alteraciones que se desea monitorear. Alteraciones tan pequeñas como un incremento algebraico de 0,3% en el factor de disipación de un buje pueden representar la diferencia entre un buje nuevo, en buenas condiciones, y un buje en el límite de lo aceptable. Resulta evidente que un cambio tan pequeño en el factor de disipación provocará una alteración prácticamente insignificante en la corriente de fuga del buje, tornando inviable su detección por medio del monitoreo de la corriente de fuga de cada buje.

Una de las técnicas que permite superar la limitación práctica demostrada es la utilización de la suma vectorial de la corriente de fuga de los tres bujes en un sistema trifásico. En un núcleo como ese, las tres corrientes de fuga están desfasadas entre sí en aproximadamente 120º, y normalmente poseen el mismo orden de magnitud, ya que los tres bujes tienen capacitancias en principio semejantes y las tensiones de las tres fases están próximas al equilibrio. Con eso, la suma de las tres corrientes de fuga tiende a un valor bastante menor que cada una de las corrientes de fuga tomadas individualmente, como ilustrado en la figura 3a para una determinada condición inicial de capacitancias y factores de disipación.

Figura 3 – Corrientes de fuga de tres bujes en un sistema trifásico y su suma; (a) Para una determinada condición inicial; (b) Con alteración en la capacitancia y factor de disipación del buje de la fase A.

Suponiendo ahora que ocurra una alteración en la capacitancia y en el factor de disipación del buje de la fase A, como mostrado en la figura 3b, el Vector Alteración ∆I, que expresa el desplazamiento de la corriente Ia de su valor inicial hasta su valor final, se refleja también en la corriente sumada, que cambia en relación con su valor inicial, según el mismo Vector Alteración ∆I.

∆I = I_{a ACTUAL} – I_{a ANTERIOR} = I_{SUMA ACTUAL} – I_{SUMA ANTERIOR}

Ese Vector Alteración es prácticamente insignificante cuando es comparado con la magnitud de la corriente de fuga de la fase A. Sin embargo, lo mismo no ocurre cuando ese vector es comparado con la corriente sumada, lo que permite su detección y, por consiguiente, la detección de la alteración ocurrida en la impedancia del buje en cuestión.

Por lo arriba expuesto, se observan algunas características intrínsecas al método utilizado:

• Es necesaria la determinación de una referencia inicial de corrientes para el sistema, para en seguida compararlas con las nuevas mediciones online, de forma que determine las alteraciones ocurridas en la capacitancia y en el factor de disipación de los bujes;
• No se realiza la medición de los valores absolutos de capacitancia y tangente delta de los bujes, pero sí la medición de las variaciones ocurridas en esos parámetros. No obstante, una vez que sean conocidos los valores iniciales de capacitancia y tangente delta de cada buje (valores presentes en el momento en que es determinada la referencia inicial de corrientes), la medición de las variaciones ocurridas permite conocer los valores actuales de capacitancia y tangente delta;

En el caso de bujes nuevos pueden ser utilizados como valores iniciales de capacitancia y tangente delta los valores de placa determinados por el fabricante de los bujes. Sin embargo, para bujes ya en operación es recomendable que, en la instalación del sistema de monitoreo online, sea efectuada la medición de esos parámetros, a través de métodos convencionales, con los bujes desenergizados. Con ello se garantiza que estén siendo utilizados por el sistema de monitoreo valores iniciales correctos.

Como se puede observar, a partir de lo anteriormente expuesto, las corrientes de fuga y la corriente sumada son influenciadas no sólo por los cambios en la capacitancia y tangente delta de los bujes, sino también por alteraciones en las tensiones fase-tierra en cada buje. Esa influencia es eliminada por medio de tratamientos matemáticos y estadísticos realizados en las mediciones, razón por la cual el proceso de determinación de la referencia inicial de corrientes es efectuado en un período de tiempo ajustable de 1 a 7 días después del inicio de operación del sistema de monitoreo. En consecuencia, el proceso de medición de las alteraciones ocurridas, por las mismas razones, tiene una constante de tiempo de respuesta de la misma magnitud.

La construcción física del buje da origen a un divisor de tensión capacitivo, como demostrado anteriormente, siendo la porción inferior de ese divisor normalmente cortocircuitada conectando a tierra el tap del buje, de modo que la tensión de este en relación con el tierra es de cero voltios. Para que sea posible la medición de la corriente de fuga del buje, esa conexión a tierra pasa a ser efectuada por el circuito de medición de la corriente de fuga. Debido a la baja impedancia de ese circuito, la tensión del tap en relación con el tierra permanece próxima a cero. Sin embargo, en caso de interrupción accidental del circuito de medición, el divisor de tensión capacitivo generaría una tensión en el tap del buje que normalmente es superior a la rigidez dieléctrica del tap en relación con el tierra, con riesgos de daños al buje.

Para evitar que eso suceda, el adaptador de conexión al tap del buje está provisto de dos dispositivos limitadores de tensión conectados en paralelo, en una configuración redundante. Esos dispositivos entran en conducción en caso de abertura del circuito de medición, constituyendo un camino de baja impedancia para la corriente de fuga, de forma que la tensión del tap en relación con el tierra permanece en pocos voltios. Los dispositivos limitadores de tensión no son susceptibles a desgastes de naturaleza eléctrica o mecánica, lo que permite que cada uno de ellos separadamente conduzca, por tiempo indeterminado, como mínimo 2,5 veces la máxima corriente de fuga encontrada en los diversos modelos de buje existentes.

Además, los dispositivos limitadores de tensión actúan como protecciones contra las sobrecorrientes y sobretensiones que se desarrollan en el tap del buje cuando suceden sobretensiones transitorias en el sistema eléctrico. Eso permite también que todos los ensayos dieléctricos (por ejemplo, tensiones de impulso) sean realizados en los bujes, con el sistema de monitoreo online conectado y en operación.

Figura 4 – Monitoreo de los bujes del banco de reactores monofásicos; (a) Reactores; (b) Adaptador en el tap de buje 525kV; (c) Panel Común del banco de reactores; (d) Módulo de Medición para los bujes de los reactores.

Figura 5 – Monitoreo de los bujes del banco de autotransformadores monofásicos; (a) Autotransformador con DPB; (b) Módulo de Interfaz en la Sala de Relés; (c) Panel Común del banco de autotransformadores; (d) Módulos de Medición para los bujes de los autotransformadores.

Con el Módulo de Interfaz conectado a la intranet de Furnas, todas las informaciones del sistema de monitoreo de bujes, tales como mediciones actuales y actuación de alarmas, pueden ser accedidas remotamente desde las oficinas de la empresa en la central o fuera de ella.

A través de las mediciones offline de capacitancia fue posible confirmar también la alarma emitida por el monitoreo de bujes online, indicando la existencia de capas de aislamiento en cortocircuito. En esas mediciones fue verificada tangente delta de 0,97% y capacitancia de 853pF, superior a la indicada en las mediciones online. Esa diferencia entre las mediciones se explica por el hecho de que la capacitancia se encuentra en un proceso de elevación continua, lo que causa un desfasaje de tiempo entre la capacitancia real y la indicada por el monitoreo online debido a su tiempo de respuesta, conforme explicado en el ítem 2.3. En otras palabras, si la capacitancia de los bujes se estabilizara en un determinado valor, la medición del monitoreo online alcanzaría ese mismo valor después de transcurrido su propio tiempo de respuesta.

Los bujes de alta tensión condensivas son un accesorio esencial para la operación de diversos equipos de alta tensión, tales como transformadores de potencia y reactores. Este artículo demostró el principio de funcionamiento que permite el monitoreo online de ese tipo de buje, así como la experiencia de aplicación de ese sistema a los bujes de autotransformadores monofásicos 550/245kV y de reactores monofásicos de 550kV en Furnas, en la Central de Serra da Mesa.

Durante la operación, las oscilaciones observadas en las mediciones online fueron del orden de hasta 0,4% para capacitancia y 0,13% para tangente delta (en valor absoluto, en el banco de reactores, donde esta es medida), permitiendo ajustes bastante sensibles para las alarmas. Ello permitió que fuese detectada con éxito la evolución de defecto en el aislamiento de un buje de 550kV en uno de los autotransformadores, permitiendo la retirada de operación de ese equipo antes que ocurriese una falla grave, con la probable explosión de ese buje.

De esa manera, quedó demostrado en la práctica que el monitoreo online de bujes puede ser un instrumento adicional y confiable para la prevención de accidentes con ese tipo de equipo, no sólo aumentando la confiabilidad y disponibilidad del sistema eléctrico y manteniendo la integridad de los equipos, sino también aumentando la seguridad para las personas presentes en las instalaciones.