Resumen

Este artículo, publicado en la revista Eletricidade Moderna, muestra el principio de funcionamiento del monitoreo de bujes condensivos de alta tensión en equipos tales como transformadores y reactores con ejemplos de aplicación y topología típica de un sistema. La ventaja del sistema es evitar paradas periódicas para las pruebas, en sustitución de mantenimiento preventivo para el mantenimiento basado en el estado, con la economía y reducir el riesgo de fracaso.

Los bujes son accesorios aplicados a equipos de alta tensión con el objetivo de proveer paso a la corriente eléctrica entre el medio externo y el interior del equipo, proporcionando también el aislamiento necesario con relación al cuerpo del equipo. Algunos de los ejemplos de aplicación más comunes son transformadores de potencia, reactores de derivación e interruptores de alta tensión.

A pesar de tratarse de un accesorio de los diversos equipos citados y de en general su costo individual ser relativamente pequeño cuando comparado al costo global del dispositivo, los bujes desempeñan una función esencial a la operación del equipo.

Por otro lado, los bujes están sujetos a esfuerzos dieléctricos considerables y una falla en su aislamiento puede causar daños no solamente al buje, sino también al equipo al cual está asociado. En casos extremos, una falla dieléctrica en un buje puede llevar a la total destrucción del equipo de alta tensión (en el caso de un transformador de potencia, por ejemplo, los perjuicios en una ocurrencia de este porte pueden ser de algunas centenas de veces el costo del buje que originó el problema).

De entre los diversos tipos de buje existentes, se destacan para aplicación en equipos de alta y extra-alta tensión los bujes del tipo condensativo, cuyo cuerpo aislante consiste en diversas capas aislantes cilíndricas concéntricas, intercaladas a capas conductoras también cilíndricas cuya función es uniformizar al máximo el campo eléctrico. La capa conductora más interna puede estar eléctricamente conectada al conductor principal, de forma que aumente el rayo y disminuya el campo eléctrico en esta región (disminuyendo también los intensos campos eléctricos que pueden ser causados por rugosidades en el conductor principal). La capa conductora más externa es conectada al empalme del buje y éste por su vez al cable tierra. Ya las capas conductoras intermedias permanecen aisladas, con potencial flotante. Para aplicación a la intemperie, todo este conjunto estará recubierto en un involucro impermeable, frecuentemente de porcelana. La conexión de la última capa (o de una de las últimas capas) conductora al cable tierra es hecha generalmente a través de una ligación removible próxima a la base del buje, denominada tap de tensión o tap de test. Ver figura 1.

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

Figura 1 – Forma constructiva de un buje condensativo

Cuando la tensión de operación es aplicada a un buje condensativo, una corriente, denominada corriente de fuga, pasa a circular a través de su aislamiento, debido principalmente a su capacitancia y en mucha menor proporción debido a sus pérdidas dieléctricas (expresas por el factor de disipación o tangente delta). La figura 2 de más abajo ilustra esta situación; en esa figura podemos observar el equivalente eléctrico obtenido con la construcción mostrada en la figura 1, ya con el buje energizado.

Este 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 la componente resistiva de la impedancia del aislamiento, que genera la parte resistiva de la corriente de fuga, asociada a las pérdidas dieléctricas, siendo “X” la componente reactiva debido a la capacitancia del aislamiento.

Figura 2 – Circuito equivalente de un buje condensativo energizada

El objetivo del monitoreo online de bujes condensativos es la detección de alteraciones en el aislamiento del buje aún en su fase inicial, indicando el desarrollo de condiciones que podrán llevar a la falla dieléctrica del equipo. Para esto 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 I_fuga fluye a través de la capacitancia C1 para el cable tierra, pasando por el tap de test, siendo esta corriente función de la tensión fase-tierra y de la impedancia del aislamiento. De esta 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, teóricamente, se podría utilizar para la detección de la alteración ocurrida en la impedancia.

Entretanto, uno de los obstáculos que se encuentra para la detección conforme descrito arriba es la medida de magnitud de las alteraciones que se desea monitorear. Alteraciones tan pequeñas cuanto un incremento algébrico del 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 del aceptable. Queda evidente que una alteración tan pequeña 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 apenas 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 arreglo como éste, las tres corrientes de fuga están desfasadas entre sí en aproximadamente 120º y normalmente tienen la misma medida de magnitud, pues los tres bujes tienen capacitancias en principio semejantes y las tensiones de las tres fases están próximas del equilibrio. Con eso, la suma de las tres corrientes de fuga tiende a un valor bastante menor que cada una das corrientes de fuga tomadas individualmente, como ilustrado en la figura 3(a) para una dada condición inicial de capacitancias y factores de disipación.

Figura 3 – Corrientes de fuga de tres bujes en un sistema trifásico y su suma total; (a) para una dada 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 3(b), el Vector Alteración DI que expresa el desplazamiento de la corriente I_a de su valor inicial hasta su valor final se refleja también en la corriente sumada, que es alterada en relación a su valor inicial segundo el mismo Vector Alteración DI.

Este Vector Alteración tiene peso prácticamente insignificante cuando comparado a la magnitud de la corriente de fuga de la fase A. Pero lo mismo no ocurre cuando este vector es comparado a la corriente sumada, lo que permite su detección y, por lo tanto, la detección de la alteración ocurrida en la impedancia del respectivo buje.

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

• Es necesaria la determinación de una referencia inicial de corrientes para el sistema, para en seguida compararla a las nuevas mediciones online, de forma que determine las alteraciones ocurridas en la capacitancia y en el factor de disipación de los bujes;
• No es efectuada la medición de los valores absolutos de capacitancia y tangente delta de los bujes y sí la medición de las variaciones ocurridas en estos parámetros. Sin embargo, 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 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. Entretanto, para bujes ya en operación es recomendable que, en la instalación del sistema de monitoreo online, sea efectuada la medición de estos parámetros a través de métodos convencionales, con los bujes no energizados. Así se garantiza que están siendo utilizados por el sistema de monitoreo valores iniciales correctos.

Una otra cosa no abordada hasta este punto es que las corrientes de fuga y la corriente sumada son influenciadas no apenas por los cambios en la capacitancia y tangente delta de los bujes, sino también por alteraciones en las tensiones fase-tierra en cada buje. Esta 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 de diez días después de la puesta en marcha del sistema de monitoreo. Ya el proceso de medición de las alteraciones ocurridas, por las mismas razones, tiene una constante de tiempo de respuesta de aproximadamente diez días.

Como referida anteriormente en la introducción, la construcción física del buje da origen a un divisor de tensión condensativo, siendo la porción inferior de este divisor normalmente cortocircuitada aterrando el tap del buje, de modo que la tensión de éste en relación con el cable tierra es de cero volts. Para que sea posible la medición de la corriente de fuga del buje, este aterramiento directo es removido y sustituido por el circuito de medición de la corriente de fuga. Debido a la baja impedancia de este circuito, la tensión del tap con relación al cable tierra permanece próxima de cero. Debe ser observado que, en caso de interrupción accidental de este circuito de medición, el divisor de tensión condensativo generará una tensión en el tap del buje que normalmente es superior a la rigidez dieléctrica del tap en relación con el cable tierra, con riesgos de daños al buje.

Para evitar esta ocurrencia, el adaptador de conexión al tap del buje está provisto de un dispositivo limitador de tensión que entra 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 cable tierra permanece en pocos volts. Este dispositivo limitador no está susceptible a desgastes de naturaleza eléctrica o mecánica, lo que permite que conduzca la corriente de fuga por tiempo indeterminado.

Las figuras 4 y 5 ilustran la aplicación del monitoreo de bujes en dos instalaciones. En estas figuras se puede observar la topología típica de un sistema de monitoreo de bujes, constituido de 3 partes básicas:

• Adaptador para tap – provee la conexión eléctrica al tap del buje, garantizando también su vedamiento contra intemperies. Incorpora la protección contra apertura accidental del circuito de medición, evitando que el tap permanezca en abierto;
• Módulo de Medición – recibe las corrientes de fuga de tres bujes de un conjunto trifásico, efectúa las mediciones de estas corrientes y un primero nivel de procesamiento de las informaciones, disponiéndolas para el módulo de interfaz a través de una puerta de comunicación serial;
• Módulo de Interfaz – recibe las informaciones del módulo o de los módulos de medición y efectúa su procesamiento matemático y estadístico, disponiendo como resultado los valores actuales de capacitancia y tangente delta en las pantallas frontales. Típicamente, este módulo proporciona salidas analógicas (mA), contactos de alarma y puertas de comunicación serial.

Figura 4 – Monitoreo de bujes en transformadores trifásicos

En la figura 4 son monitoreados los bujes del primario y del secundario de dos transformadores trifásicos 230/138kV 150MVA, en operación en el sur de Brasil: (a) Adaptador de tap en uno de los bujes del primario; (b) Adaptador de tap en uno de los bujes del secundario; (c) Módulos de medición para los bujes del primario y del secundario; (d) Módulo de interfaz.

En la figura 5 son monitoreados los bujes del primario y del secundario de dos bancos de transformadores monofásicos 525/230kV 1000MVA, en operación en San Diego, California, EEUU: (a) Adaptador de tap en uno de los bujes del primario; (b) Adaptador de tap en uno de los bujes del secundario; (c) Panel centralizador para uno de los bancos de transformadores con los módulos de medición para los bujes del primario y del secundario; (d) Módulo de interfaz instalado en la sala de control de la subestación.

Figura 5 – Monitoreo de bujes en transformadores monofásicos

Los bujes condensativos de alta tensión son un accesorio esencial para la operación segura de diversos equipos de alta tensión, tales como transformadores de potencia e interruptores. Este artículo demostró el principio de funcionamiento que permite el monitoreo online de este tipo de buje, así como algunos ejemplos de aplicaciones y la topología típica de un sistema de monitoreo.

Con eso, pueden ser reducidas o incluso eliminadas las desconexiones periódicas para testes con el buje no energizado, sustituyendo el mantenimiento preventivo por el mantenimiento basado en el estado. Además del ahorro obtenido al eliminar desconexiones y procedimientos de mantenimiento que se revelan innecesarios en la mayoría de las veces, el monitoreo online de los bujes reduce el riesgo de fallas catastróficas que puedan ocurrir en el intervalo de los mantenimientos preventivos, que generalmente tienen periodicidad de años.