Actualmente, el método principal para detectar fallos de descarga en transformadores es medir el nivel de descarga parcial, existiendo el método de medición de descarga parcial por corriente pulsante (denominado en adelante método de corriente pulsante) y el método de medición de descarga parcial por ultrasonidos (denominado en adelante método ultrasónico). El método de corriente pulsante requiere detección bajo tensión aplicada cuando el equipo está desconectado. Aunque permite medir cuantitativamente la magnitud de la descarga para determinar la posición eléctrica del punto de descarga, no puede determinar su posición espacial, y la detección debe realizarse obligatoriamente con corte de energía. Por ello, resulta cada vez más importante implementar una detección ultrasónica de descarga parcial oportuna y en línea en transformadores, combinándola con otros ensayos de aislamiento (como análisis cromatográfico de gases en aceite, medición de temperatura por infrarrojos lejano, etc.) para analizar el estado del aislamiento del transformador y determinar a tiempo la naturaleza de los defectos de aislamiento.
1 Principio del ensayo de descarga parcial por ultrasonidos
La descarga parcial en medios aislantes presenta dos tipos: descarga intra-burbuja; ruptura dieléctrica en zonas de alta intensidad de campo. Algunos medios aislantes moldeados o extrudidos tienden a presentar huecos de aire o burbujas. La constante dieléctrica del aire es menor que la de los medios sólidos, y la intensidad de campo es inversamente proporcional a la constante dieléctrica. Por tanto, los huecos de aire o burbujas en el medio son fuente de descarga parcial; cuando el campo eléctrico local es elevado, se produce ruptura dieléctrica en los puntos débiles del aislamiento. Estos dos tipos de descarga parcial suelen ocurrir simultáneamente o inducirse mutuamente en la mayoría de los casos.
Cuando se produce una descarga parcial bajo tensión de ensayo (o tensión de servicio) en un transformador, va acompañada de fenómenos físicos como pulsos eléctricos, ultrasonidos, luz, calor y cambios químicos. Siempre que exista descarga parcial en el interior del transformador, se generan perturbaciones eléctricas de alta frecuencia que se propagan por todos los circuitos eléctricos conectados. Puede detectarse cuantitativamente una descarga parcial del transformador recibiendo la señal de descarga mediante un dispositivo de ensayo conectado a los terminales del equipo. Simultáneamente, siempre que haya descarga parcial, durante el proceso de descarga, junto con la emisión acústica de tipo explosivo, se generan ultrasonidos que se propagan rápidamente por el medio circundante. Al montar un sensor en la pared exterior del tanque del transformador que convierta la señal ultrasónica en señal eléctrica, puede medirse el nivel de descarga parcial en el transformador. Este es el método de medición de descarga parcial por ultrasonidos en transformadores.
Cuando se produce descarga parcial en el interior del transformador, el ultrasonido se propaga a través de diferentes medios (papel-aceite, separadores, devanados, aceite, etc.) liberando energía acústica. La señal ultrasónica se propaga hacia el exterior del tanque del transformador a través de medios como cartón aislante o aceite aislante a cierta velocidad, y lo hace en forma de onda esférica. El ultrasonido atraviesa el medio aislante y llega al sensor en la pared del transformador de dos formas: una por propagación directa, es decir, la onda longitudinal del ultrasonido atraviesa el medio aislante, el aceite del transformador, etc., hasta la pared interior del tanque, y pasa a través de la chapa de acero hasta el sensor; la otra es transmitirse por onda longitudinal hasta la pared interior del tanque, y luego propagarse por la chapa de acero hasta el sensor en forma de onda transversal, constituyendo una onda compuesta. La trayectoria de propagación del ultrasonido se muestra en la Figura 1. La fuente S genera ultrasonidos, SA es una onda longitudinal, y SBA y SCA son ondas compuestas.
Los ultrasonidos tienen un fuerte poder de penetración, pero sufren cierta distorsión de la forma de onda al atravesar diversos medios. Esta distorsión se debe principalmente a la atenuación de amplitud. La Tabla 1 muestra la velocidad de propagación de los ultrasonidos en diferentes medios y su tasa de atenuación relativa respecto al aceite de transformador.
Aunque el ultrasonido viaja mucho más rápido en la chapa de acero que en el aceite del transformador, la atenuación en la chapa es grande, por lo que la amplitud de la onda directa que llega al sensor es mucho mayor que la de la onda compuesta.
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