Detección de Descargas Parciales en Sistemas GIS

Fundamentos de propagación, sensores UHF y verificación de sensibilidad

Contenido técnico basado en el material "Descargas Parciales – ¿Cómo se Detectan?" de Megger

Las Descargas Parciales (DP) son descargas eléctricas localizadas que se originan a partir de imperfecciones en el sistema de aislamiento de una subestación GIS (Gas Insulated Switchgear). Su detección temprana permite anticipar defectos antes de que deriven en una falla mayor. Este artículo resume, sin añadir información externa al material de referencia, los principios físicos de propagación de la señal de DP dentro de una GIS, las tecnologías de sensores UHF disponibles para su detección y el proceso de verificación de sensibilidad (calibración) que garantiza la fiabilidad de las medidas.

1. Fundamentos de la propagación de la señal de DP

Cuando una Descarga Parcial es generada por una imperfección dentro de la GIS, esta emite ondas electromagnéticas transitorias. La envolvente metálica de la GIS actúa como una guía-ondas, conduciendo la propagación de dicha señal a lo largo del equipo.

Figura 1. Propagación de la señal de DP a través de la envolvente de la GIS, que actúa como guía-ondas (Megger).

Las señales de Descarga Parcial son de amplio espectro. A medida que se propagan por la GIS se produce una propagación compleja de las ondas, con efectos de atenuación y de reflexión, determinados principalmente por dos factores:

Geometría

• La complejidad geométrica de las GIS (cambios de sección, derivaciones, cámaras) provoca reflexiones y atenuaciones de la señal.
• La impedancia de la guía-ondas depende de la función ln(D/d), es decir, de la relación entre el diámetro de la envolvente (D) y el diámetro del conductor interno (d).
• La suavidad de la superficie interior afecta a la propagación de las señales a través de un efecto de dispersión.
• Estos efectos de dispersión son altamente dependientes de la frecuencia.
• Se requiere capacidad de medir en una amplia gama de frecuencias para conseguir una buena sensibilidad en la totalidad de la GIS.
• Es necesario disponer de varios sensores UHF distribuidos a lo largo del equipo.
• Los sensores UHF actúan como antenas, convirtiendo la energía de la onda electromagnética en una señal de voltaje medible.
• Rango de frecuencia: aproximadamente 200 MHz – 2000 MHz.
• Ofrecen la mejor ratio señal/ruido de entre las opciones disponibles.
• Normalmente vienen pre-instalados por el propio fabricante de la GIS.
• El sensor IFP1 de Megger permite esta instalación con cualquier fabricante de GIS.
• Disponibles en algunos modelos de GIS.
• Su instalación requiere cooperación con el fabricante del equipo.
• Usualmente una buena cantidad de ellos suele estar distribuida por la GIS.
• Megger suministra los sensores BSSA necesarios (combinación BSSA + IPU + FCU3).
• Diseñados para su uso en espacios sin blindaje.
• Instalables en cualquier momento del ciclo de vida de la GIS.
• Presentan menor sensibilidad comparados con los sensores interiores UHF.
• Disponibles en versión permanente y en versión temporal.
• Diseñados para su uso en ventanas de inspección, con diámetro ≥ 60 mm.
• Instalables en cualquier momento del ciclo de vida de la GIS.
• Presentan menor sensibilidad comparados con los sensores interiores UHF.
• Disponibles en múltiples tamaños: WS 80 / 95 / 140.
• Se aplica una fuente de señal real de DP de 5 pC mediante la aplicación de Alta Tensión (AT).
• Se realiza la inyección de una señal en esa misma localización.
• Distintos saltos de voltaje disponibles: 2, 5, 10, 20, 30, 40 y 50 V (50 Ω).
• Sincronización mediante fotodiodo.
• Operación a 50 Hz o 60 Hz.
• Salida mediante conector tipo N.
• Tiempo de subida: CAL2B ≈ 100 ps; CAL2D/500 ≈ 500 ps.
• Inyección de una señal de voltaje en el sensor UHF.
• Comprobación de los sensores del área adyacente, verificando que la señal sea visible por encima del nivel de ruido.
• Comprobación de cada señal a lo largo de toda la ruta de la GIS.
• Cada sensor debe detectar la señal al menos una vez.
• Debe realizarse al menos una medida a lo largo de la GIS.
• El sistema de verificación de sensibilidad (SV) debe ser capaz de detectar impulsos de 5 dBµV o superiores.

Superficie

Figura 2. Influencia de la geometría de la GIS y de la superficie interior sobre la propagación y dispersión de la señal (Megger).

Estas características de propagación determinan directamente los requisitos de cualquier sistema de monitorización de DP en GIS:

Figura 3. Sensores UHF integrados detectando la señal generada por una Descarga Parcial en la GIS (Megger).

2. Sensores UHF para la detección de DP

Existen distintas tecnologías de sensores UHF, cada una adecuada a diferentes condiciones de instalación, momento del ciclo de vida de la GIS y nivel de sensibilidad requerido.

2.1 Sensores UHF en interior

Figura 4. Sensor UHF interior IFP1 de Megger (Gold Standard) (Megger).

2.2 Electrodos incrustados en brida (Bed Spring)

Figura 5. Electrodo Bed Spring incrustado en brida y kit BSSA + IPU + FCU3 de Megger (Megger).

2.3 Sensores externos en brida

Figura 6. Sensores externos en brida, en configuración permanente (izquierda) y temporal (derecha) (Megger).

2.4 Sensores externos en ventana (WS)

Figura 7. Sensores externos en ventana de la serie WS (WS80 / WS95 / WS140) de Megger (Megger).

3. Medidas no convencionales de DP: verificación de la sensibilidad

Además de contar con los sensores adecuados, es imprescindible un proceso de calibración que verifique la sensibilidad real del sistema de monitorización instalado. Este proceso, de dos pasos, está descrito en los documentos CIGRE TBA 654 y CIGRE TF 15/33.03.05, y también es referenciado en el CIGRE TB del Working Group D1.66, "Requerimientos para sistemas de monitorización DP en sistemas aislados en gas (GIS)".

Un aspecto clave de las medidas no convencionales es que una señal UHF no puede convertirse directamente en un valor equivalente de carga en picoculombios (pC); ambas magnitudes no son directamente intercambiables.

Figura 8. Documentos de referencia CIGRE TBA 654 y CIGRE TF 15/33.03.05 sobre verificación de sensibilidad UHF y acústica en GIS (Megger).

3.1 Paso 1 – Verificación en laboratorio

Consiste en realizar medidas paralelas con métodos convencionales y no convencionales:

El objetivo es determinar qué tipo de impulso genera la misma amplitud y el mismo espectro de frecuencia que una señal real de DP.

Es importante señalar que estos resultados solo son válidos para el tipo específico de GIS, el tipo de sensor y el generador de impulso utilizados en la prueba.

Figura 9. Configuración de verificación en laboratorio: medida en paralelo de la señal real de DP (a) y de la señal inyectada (b) (Megger).

3.2 Generador de pulso UHF (Megger CAL Series 2/3)

Para la inyección de la señal de calibración se emplea un generador de pulso UHF de alta precisión, cuya salida se expresa en mV o V (no en pC):

Figura 10. Generadores de pulso UHF de la Serie CAL 2/3 de Megger (Megger).

3.3 Paso 2 – Verificación en sitio (on-site)

Una vez validado en laboratorio el tipo de impulso equivalente, la verificación en campo se realiza de la siguiente manera:

Criterios de aceptación del proceso:

Figura 11. Verificación en sitio (Paso 2): inyección de señal y comprobación de sensores a lo largo de la ruta de la GIS (Megger).

Conclusión

La detección fiable de Descargas Parciales en sistemas GIS depende de la combinación de dos elementos complementarios: una cobertura de sensores UHF adecuada a la geometría, superficie y accesibilidad de cada equipo, y un proceso riguroso de verificación de sensibilidad que confirme, tanto en laboratorio como en sitio, que el sistema instalado es capaz de detectar las señales relevantes a lo largo de toda la GIS. Ambos aspectos, sustentados en normativa CIGRE, constituyen la base técnica de los sistemas de monitorización de DP descritos en el material de Megger.