ESPECIFICACIONES DE ENSAYOS EN ALTA TENSION
Definición de onda de impulso de maniobra
Las características de una onda de maniobra implica algunos parámetros adicionales que se indican a continuación y que se ilustran en la figura 149.
El tiempo de pico Tp es el lapso entre el origen real y el instante en que la tensión alcanza el valor de cresta.
El tiempo hasta el hemivalor T2 es el lapso entre el origen real y el instante en que la tensión alcanza la mitad de su valor de cresta.
El tiempo por encima de 90% Td es el lapso durante el cual la tensión excede 90% de su valor de cresta.
El tiempo a cero T0 es el lapso entre el origen real y el instante en el cual la tensión pasa por cero por la primera vez.
Tensión de ensayo
El impulso de maniobra normalizado denominado impulso 250/2500 es un impulso con una duración hasta la cresta de 250 m s y una duración hasta el hemivalor de 2500 m s.
También en este ensayo es difícil lograr las duraciones del impulso, aceptándose las siguientes tolerancias entres los valores especificados y los valores realmente medidos:
- Valor de cresta ± 3%
- Duración del frente ± 20%
- Duración del hemivalor ± 60%
En ciertos casos, por ejemplo con objetos de baja impedancia, puede resultar difícil ajustar la forma del impulso para quedar dentro de los valores de tolerancia recomendados. En estos casos, otras tolerancias u otras formas de onda pueden ser especificadas para un equipo en particular.
La tensión de descarga disruptiva para grandes intervalos de aire puede influenciar la duración del valor de cresta y del hemivalor del impulso de maniobra.
Coordinación de la aislación
Criterio de comportamiento
El comportamiento del aislamiento de un sistema se juzga en base al número de fallas de la aislación en servicio. Las fallas pueden tener consecuencias diferentes según el lugar del sistema donde se producen. Por ejemplo, en un sistema mallado, un defecto permanente en una línea o un recierre no exitoso de un interruptor de línea debido a una sobretensión de frente lento no son tan graves como una falla en barras.
En consecuencia, el índice de falla Ra admisible en un sistema puede variar de un punto a otro, dependiendo de las consecuencias de la falla en cada uno de esos puntos.
Las estadísticas de fallas concernientes a los sistemas en servicio y a los proyectos de diseño teniendo cuenta de estas estadísticas suministran ejemplos de índice de fallas admisibles.
Para aparatos, el índice de fallas Ra debido a sobretensiones se encuentra entre 0,001/año y 0,004/año en función de los tiempos de reparación. Para líneas aéreas, el índice de fallas admisible, debido a descargas atmosféricas varía entre 0,1/100 km/año y 20/100 km/año (el valor mayor se acepta para líneas de distribución).
Las cifras correspondientes para el índice de fallas admisible debido a sobretensiones de maniobra se encuentra entre 0,01 y 0,001 por maniobra.
Los valores para índices de fallas admisibles deberían encontrarse dentro de estos órdenes de magnitud.
Procedimientos de coordinación del aislamiento
La determinación de los valores de coordinación consiste en establecer los valores más bajos de tensiones soportadas por la aislación, que satisfaga los criterios de comportamiento del aislamiento, cuando estas aislaciones son sometidas a sobretensiones representativas de las condiciones de servicio.
Existen dos métodos de coordinación del aislamiento respecto a las sobretensiones transitorias: el determinístico y el estadístico.
Método determinístico
Este método se utiliza generalmente cuando no se dispone de información estadística proveniente de ensayos para determinar el índice de fallas del equipamiento en servicio.
Con este método, no se hace referencia al índice de falla eventual del equipamiento en servicio.
Método estadístico
Este método está basado en la frecuencia de ocurrencia de una causa dada, la distribución de probabilidad de sobrentensiones relativa a esta causa y la probabilidad de descarga de la aislación.
Igualmente se puede determinar el riesgo de falla combinando simultáneamente, para cada aplicación de tensión, las probabilidades de descarga y de sobretensión teniendo en cuenta la naturaleza estadística de las sobretensiones y de la descarga mediante procedimientos adecuados, por ejemplo utilizando los métodos de Monte-Carlo.
Se puede obtener el índice de indisponibilidad del sistema debido a fallas del aislamiento repitiendo los cálculos para diferentes tipos de aislamientos y diferentes configuraciones del sistema.
Particularidades de la tensión soportada a impulso de maniobra
La probabilidad de descarga varía con la tensión con una distribución que, para los fines prácticos de diseño, se puede considerar Gaussiana.
Para el diseño de la aislación de una línea o estación, se debe determinar el valor de s (desviación estándar) con la mejor exactitud posible.
Sin pretender profundizar el tratamiento matemático de este fenómeno, consideraremos como ejemplo una línea de transmisión para la cual se estudia mediante el uso del ATP, las sobretensiones que se presentan para un cierto número de energizaciones (por ejemplo 100), representándose la densidad de probabilidad de sobretensiones f0(U) que se indica en la figura 150.
Se debe además realizar con los aisladores que se utilizan para la línea, ensayos de laboratorio para determinar la probabilidad de descarga PT(U) que también se indica en la figura.
Se denomina densidad de riesgo de falla al producto de ambas funciones y que se indica en la figura como dR/dU, finalmente el área A de esta característica se conoce como riesgo de falla.
Este último debe ser lo más bajo posible, en particular si se tiene en cuenta que la línea puede estar formada por un número grande de aislaciones en paralelo, y que basta que una falle para que la línea salga de servicio.
El criterio expuesto es aplicable a aislaciones del tipo regenerativo, cuando la aislación no puede regenerarse el aislante debe ser capaz de soportar la sobretensión sin presentar ninguna descarga.
Los equipamientos cuyos aislamientos no regenerativos son las partes principales del equipamiento (transformadores y reactores) son ensayados con un número reducido de impulsos: 1 pleno de amplitud reducida y 3 plenos, para cada polaridad, de amplitudes iguales a la tensión soportada, a fin de evitar daños al aislamiento por la aplicación de gran número de impulsos durante los ensayos.
Ensayos dieléctricos en transformadores de potencia
Los transformadores son sometidos a distintas pruebas de recepción para verificar su diseño y construcción, mencionaremos a continuación solamente las dieléctricas.
Las pruebas que se realizan se clasifican en tres grupos:
- 1. Pruebas individuales o de rutina
- 2. Pruebas de tipo
- 3. Pruebas especiales
Dentro de las pruebas individuales se realizan las siguientes pruebas dieléctricas:
- Tensión aplicada
- Tensión inducida
- Medición de descargas parciales
- Controles del aceite mineral, por ejemplo, rigidez dieléctrica, factor de pérdidas, resistividad volumétrica, tensión interfacial, acidez, humedad, etc.
- El ensayo de impulso atmosférico o de maniobra se encuentra dentro de los ensayos de tipo.
Dentro de los ensayos especiales se realizan mediciones de otro tipo, por ejemplo, medición de la impedancia de secuencia cero, nivel de ruido, determinación de armónicos de la corriente de vacío.
Esquema dieléctrico de un transformador
En la figura 151 se indica en forma esquemática el aislamiento interno de un transformador.
La aislación principal, está dada por las distancias dieléctricas a masa (núcleo o cuba), se realiza con papel impregnado, placas impregnadas y distancias en aceite.
La aislación secundaria, está dada por las distancias dieléctricas entre devanados de una misma fase, (baja y alta tensión) y entre fases adyacentes, utilizándose los mismos materiales que para el caso anterior.
La aislación entre espiras, es decir, entre conductores de un mismo devanado, se realiza con papel impregnado.
La aislación longitudinal está constituida por fronteras dieléctricas papel-aceite, que pueden verse solicitadas tangencialmente por una componente de campo eléctrico.
En el ensayo de tensión aplicada se prueba la aislación principal y secundaria. El ensayo de tensión inducida tiene por finalidad probar la aislación principal, secundaria y entre espiras. En el ensayo de descargas parciales se controla el estado microscópico del aislamiento total (transversal y longitudinal). Finalmente en el ensayo de impulso se prueba la aislación del devanado a este tipo de solicitaciones.
Desarrollo del ensayo de impulso
El ensayo de impulso debe realizarse sólo cuando las otras pruebas dieléctricas han sido exitosas, ya que en caso de duda, puede constituirse en un ensayo destructivo.
La calibración del circuito de impulso para ajustar las formas de onda dentro de los valores de tolerancia fijados por las normas se debe realizar con disparos de tensión reducida (aproximadamente 25% de la tensión de ensayo).
A modo de ejemplo para un transformador de 300/300/100 MVA con tensiones de 500/138/13.8 kV en la figura 152 se muestran los diagramas de conexión para la realización de estos ensayos en los distintos devanados. Se observa que para el ensayo de AT se ha insertado entre cada fase del devanado de MT y tierra una resistencia R para lograr la cola de la onda, como así también durante el ensayo del devanado de MT las resistencias se han insertado en el devanado de BT.
La forma de onda lograda es de 1.5/46 m s encontrándose dentro de los valores de tolerancia anteriormente indicados.
Para uno de los terminales del devanado de AT cuyo nivel de aislamiento (BIL) es de 1425 kV en la figura 153 se muestran los oscilogramas de tensión y corriente correspondientes a esta fase, adoptándose para la onda de tensión reducida un valor de 999.5 kV (70% de la tensión de ensayo).
Análisis de los resultados
Se considera satisfactorio el ensayo cuando los oscilogramas de referencia (50% o 70%), son idénticos a los correspondientes con las ondas plenas 100%, para lo cual se deben ajustar adecuadamente las ganancias de amplitud del osciloscopio.
Se comparan los registros de tensiones y corrientes obtenidos con ondas plenas entre sí y con los registros con onda reducida.
En caso que se requiera realizar también ensayos con ondas cortadas (previstos por las normas), para efectuar la comparación entre los distintos registros se requiere que tengan idéntico instante de corte.
Las diferencias de fase, sobre oscilaciones, de amplitud, etc., son indicadores de falla.
La interpretación exacta de la falla a partir de los oscilogramas requiere mucha experiencia, y en general sólo puede ser ilustrada con casos comprobados.
Descargas parciales
La descarga parcial es una descarga localizada de baja energía que se presenta en puntos del aislamiento donde la solicitación supera la rigidez dieléctrica de un espacio microscópico, denominado vacuola.
Por solicitación se entiende la intensidad de campo eléctrico, o gradiente de potencial. 
La rigidez dieléctrica Edi es la máxima intensidad de campo tolerada por la aislación, en aire se toma Edi = 24,5 kVpico/cm (aproximadamente 17 kV/cm).
Si las descargas parciales se presentan en espacios abiertos de los sistemas de alta tensión en aire (por ejemplo entre una punta y una placa) se las denomina comúnmente "descargas corona", si en cambio se presentan en el interior de un material "descargas internas" son las que comprometen el aislamiento sólido.
El parámetro más significativo es la carga eléctrica Q transferida en la vacuola, denominada descarga aparente, y su unidad de medida es el pC.
Esta descarga aparente no es directamente leída por el instrumental de laboratorio debido a la atenuación propia del circuito de medida, la interpretación del resultado de medición es difícil debido a que:
- La descarga real encuentra múltiples caminos de acceso al terminal de medición (capacidades de dispersión, acoplamientos entre devanados).
- Además el pulso real experimenta en su desplazamiento, rebotes y deformaciones (ondas viajeras).
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