Proposta de apresentação de Trabalho Técnico para CIGRÉ XI ERIAC

Décimo Quinto Encuentro Regional
Ibero-americano del CIGRÉ
Foz de Iguazú-PR, Brasil
19 al 23 de mayo de 2013
EXPERIENCIA DEL MANTENIMIENTO UTILIZANDO TÉCNICAS DE
TERMOGRAFÍA SUPERFICIAL AÉREA PARA ACOMPAÑAMIENTO DE LA
EVOLUCIÓN DE HOT-SPOTS EN LA GIS DE ITAIPU
A. E. Osorio P.*
J. G. R. Filho*
E. Barz*
* Itaipu Binacional
RESUMEN
La Termografía superficial aérea es realizada de forma periódica a cada 3 meses por el personal
técnico de la Subestación Blindada y Aislada a Gas SF6 con el objetivo de recaudar informaciones a
respecto de puntos calientes (hot-spots). Como referencia, fueron realizados ensayos en
compartimiento presurizado para simular situaciones próximas a la real de estos puntos, y con
sensores precisos se obtuvieron aproximaciones técnicas de su comportamiento, que servieron de base
para la Instrucción de Mantenimiento correspondiente.
Los ensayos se realizaron utilizando un disipador como fuente de calor con resistencia conocida, y
sensores tipo RTD y termopares para mediciones de temperatura interna y externa del compartimiento
presurizado positivamente con gas SF6. Otros instrumentos utilizados: Variac para control de tensión
en el disipador y aumento de temperatura interna, un medidor de temperatura de precisión, y una
computadora portátil, además de la cámara termográfica.
Estos ensayos demostraron que la camada de gas interna del compartimiento enmascara la temperatura
registrada por la cámara termográfica difiriendo de la temperatura interna real obtenida a través de
sensores. Posteriormente se establece una Tabla de Referencia de diferenciales de temperaturas con
rangos de valores indicando grados de posibles anormalidades, y clasificando los puntos calientes con
sus correspondientes acciones y análisis por parte del Mantenimiento. La experiencia a ser mostrada
está relacionada a una falla ocurrida en el vano de una de las salidas de las líneas de la subestación.
PALAVRAS-CLAVE
Subestación Blindada y Aislada a Gas SF6, Equipos de Alta Tensión, Hot-Spots, Termografía
Superficial Aérea, Mantenimiento Predictivo.
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1.
PROBLEMÁTICA DE LOS HOT-SPOTS EN LA SUBESTACIÓN
La Subestación Blindada y Aislada a Gas SF6 posee algunas características inherentes a su
configuración física, las cuáles no pueden ser modificadas, lo que acarrea en la aparición de
fenómenos como los de descargas parciales y puntos calientes o más conocidos como Hot-Spots del
idioma inglés. Como el foco de este trabajo se refiere apenas al fenómeno físico denominado de punto
caliente, o hot-spots, el tema relacionado a las descargas parciales no será abordado en este trabajo,
además de ser un tema bastante amplio.
Para que la energía eléctrica sea transferida de la fuente a la carga, la misma pasa por innúmeros
puntos de intersección y por diversos tipos de materiales, los cuáles son comparables a las rutas e
inevitablemente se tendrán cruces y puentes en su trayecto. La industrialización de los componentes de
una instalación eléctrica son estándares, pero esto no garantiza la perfecta homogeneidad interna, lo
que crearía algunas áreas con pérdidas superiores a los demás disipando energía en la forma de calor
de forma creciente originando los denominados puntos calientes.
Un punto caliente es básicamente un local con la resistencia de contacto en aumento, haciendo que la
temperatura existente y permisible en este punto aumente de forma constante hasta superar a la
máxima admisible por el material de este contacto. Este fenómeno hace que se reduzca la vida útil del
material hasta dejarlo inutilizado. Las consecuencias para este fenómeno si es que contacto es parte de
un sistema, el material alcanza su punto de fusión y se derrite causando una alteración en el ambiente
en el cuál se encuentra.
En caso que el punto caliente esté inmerso en un medio aislante como el gas SF6, la alteración del
ambiente mencionada anteriormente, resulta en una disminución de la rigidez dieléctrica del (o los)
compartimiento(s), que podría llevar a una eventual descarga total (ver Figura 1), o en menor
proporción a una descarga parcial, considerado sumamente perjudicial para los componentes internos
del (los) compartimiento(s), sin mencionar los costos envueltos en la restauración del sistema por parte
del Mantenimiento.
Figura 1: Imágenes de partes internas posteriores a una descarga plena (cortocircuito)
Con los avances de la tecnología digital, las cámaras termográficas actuales, poseen más recursos que
sus antecesoras, y con sus costos más accesibles, han ganado buena aceptación en el ámbito de
actividades de mantenimiento en varios sectores como industrial (Ver figura 2), y los sectores de
generación, transmisión y distribución de energía eléctrica no están exceptuados de esta realidad.
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Figura 2: Uso de técnicas de termografía superficial en la industria
Por los motivos expuestos, el Mantenimiento Ejecutivo ha decidido adquirir una cámara con la cuál el
personal de campo realizará mediciones termográficas periódicas con la intuición de acompañar la
evolución de los puntos calientes en toda la instalación, pero como no había referencias a respecto de
como interpretar estas medidas, fue necesaria la realización de ensayos para la obtención de
referencias de las medidas que serían obtenidas.
En los ensayos mencionados fueron considerados elementos tales como una fuente de calor con valor
conocido de resistencia y sensores de precisión a fin de obtener las informaciones de temperatura tanto
interna como externas del compartimiento bajo ensayo, y con presión positiva del gas SF6, que sirvan
de referencia para las mediciones termográficas a ser realizadas en la subestación. Una cámara
termográfica confiable que refleje el valor medido internamente para acompañar el comportamiento de
acuerdo a la temperatura ambiente de la instalación.
Contando con todos los elementos para la adquisición y medición de señales de temperatura, son
realizadas las simulaciones con varios niveles de inyección de corriente para el calentamiento de la
resistencia, creando de esa forma una fuente de calor en el ambiente presurizado con gas SF6
emulando un punto caliente. El proceso realizado por niveles es necesario para que exista un equilibrio
térmico interno en el compartimiento antes de realizar la medición termográfica y obtener un valor de
temperatura estable tanto con los sensores de temperatura como con la cámara termográfica.
2.
MÉTODO APLICANDO TERMOGRAFIA SUPERFICIAL AÉREA
La Subestación Blindada y Aislada a Gas SF6 de Itaipu, está compuesta de aproximadamente 750
compartimientos distribuidos en vanos típicos como se muestra en la Figura 3. Estos compartimientos
se conectan entre si a través de aisladores de resina y de tulipas de contacto, de forma a que la energía
eléctrica sea transferida de un compartimiento a otro sin perjuicio del flujo de potencia generado,
contando de esa forma con la ventaja de la modularidad de compartimientos.
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Figura 3: Vista parcial de un vano típico de unidades generadoras de la GIS
2.1
Ensayos para referencias
Los ensayos fueron realizados con un trecho corto de compartimiento, parte de un conjunto de reserva
denominado de mini GIS, y colocados en las posiciones horizontal y vertical de forma a emular los
trechos a ser inspeccionados por termografía superficial en la subestación. En la realización de estos
ensayos, se contó con el valioso apoyo de las divisiones de Mantenimiento de Equipos de Transmisión
(SMMT.DT) y la de Laboratorio (SMIL.DT), a solicitud de la Ingeniería de Mantenimiento Eléctrico
(SMIE.DT).
Como mencionado anteriormente, el objetivo principal de estos ensayos es la obtención de una
relación entre una fuente interna y la medida obtenida por la cámara termográfica en compartimientos
presurizados de la subestación, de forma que sirva de referencia y soporte para la toma de decisiones
por parte del Mantenimiento en relación al grado de severidad que este punto caliente está ejerciendo
dentro del circuito. En los tres ensayos realizados fueron considerados los siguientes materiales:







Fuente de calor conocida que actúe como hot-spot, Disipador de 220 [V], 1000 [W];
Sensores tipo RTD (Resistance Temperature Detectors), hasta 150 [ºC], para mediciones
internas al compartimiento;
Sensores termopares para mediciones superficiales externas al compartimiento y temperatura
ambiente;
Medidores de Temperatura compatible con el RTD;
VARIAC para variar la tensión e inducir corriente en la resistencia;
Computadora portátil;
Cámara Termográfica.
Para la iniciación de los trabajos, se procedió al montaje y posicionamiento de la fuente de calor
dentro del compartimiento bajo ensayo, primeramente en la posición horizontal, con todos los niveles
de corriente inyectados y registrados en tablas para posterior análisis.
Posteriormente al montaje de los elementos para el ensayo, fue necesaria la realización de vacío por un
plazo razonable para realizar el llenado con el gas SF6 y de esa forma presurizar el compartimiento.
Los resultados obtenidos de cada muestra serán indicados en los próximos tópicos para que sean
visualizados. Los detalles más específicos de instalación y procedimientos del ensayo se encuentran en
el Informe Técnico 6380-50-19575-E-R0 elevado en su momento a la Superintendencia de
Mantenimiento – SM.DT.
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Es destacable que los ensayos realizados en la GIS de Itaipu fueron basados en la experiencia de su
personal técnico, e intentar realizar un estudio práctico llevado a cabo por una empresa de energía
israelí denominada IEC – Israel Electric Company, indicado en la bibliografía..
2.2
Comportamiento de Hot-Spots en posición horizontal sin conductor
La intención de realizar este ensayo fue con la intuición de obtener el comportamiento de la fuente de
calor dentro de un ambiente presurizado con gas SF6 y registrar las elevaciones para que sean
acompañadas por la cámara termográfica. Los principales resultados se muestran en la figura 4 a
seguir.
Figura 4: Comportamiento de las temperaturas medidas en el disipador versus cámara termográfica
2.3
Comportamiento de Hot-Spots en posición horizontal con conductor
Aprovechando el mismo esquema realizado en el ensayo anterior, se retira el gas utilizado y se inserta
un conductor para repetir el mismo ensayo registrando las mediciones de las temperaturas en los
mismos moldes realizado para el ensayo anterior. Los preparativos previos pueden ser observados en
la figura 5.
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Figura 5: Elementos del ensayo en compartimiento a ser presurizado incluyendo conductor
En la figura 5 anterior, lado superior izquierdo, puede notarse al lado del disipador una pieza metálica
cilíndrica seccionada confeccionada en los talleres de la Itaipu con el objetivo de facilitar el contacto
entre el disipador (superficie plana) con el conductor de superficie interna circular, e inclusive fue
colocada una lámina de aluminio entre ambas superficies (de la pieza cilíndrica y del conductor) para
facilitar la transferencia de calor y sea realizada de esa forma la convección del calor emitido a través
del conductor. El principal resultado de los ensayos se encuentra en la figura 6.
Figura 6: Resultados de ensayo horizontal de compartimiento con 500 kPa incluyendo conductor
Es importante resaltar que existen diferencias en este ensayo con relación al primero, la primera es que
la presión del gas SF6 fue de 500 kPa, además de ser incluido el conductor, con lo que produjo una
reducción de la temperatura interna de 116 para 106 [ºC], además de haber sido aumentada la potencia
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del disipador para 1025 [W]. Esta reducción de temperatura puede ser atribuida a una mejor disipación
del calor a través del conductor cuya capacidad de convección no existía en el primer ensayo
obteniéndose de esa forma esta reducción de temperatura con una mayor potencia disipada adicionada
de un aumento de presión del gas.
2.4
Comportamiento de Hot-Spots en posición vertital incluyendo conductor
El objetivo de este ensayo fue obtener informaciones a respecto del comportamiento de una fuente de
calor en la posición vertical, similar a la existente en los vanos de las salidas de línea. Para el efecto, se
tomaron los cuidados debidos relacionados a los sensores por estar en esta posición, así como el
propio disipador de calor.
Los resultados fueron sutilmente diferentes del ensayo horizontal, siendo que la temperatura final
obtenida en el mismo punto de la fuente de calor fue ligeramente inferior de 97,5 [ºC], pero para una
potencia de 1033 [W].
Figura 7: Esquema para ensayo vertical de compartimiento con 500 kPa incluyendo conductor
3.
RESULTADOS OBTENIDOS CON LA TERMOGRAFÍA SUPERFICIAL
Como resultados acumulados por parte del Mantenimiento, serán presentados dos aspectos, uno
relacionado a los ensayos realizados para obtener una relación entre lo medido por la cámara
termográfica y aproximar por una Tabla de Referencia un determinado grado de severidad que el hotspot estaría causando en el circuito comparativamente a los mismos trechos adyacentes, y en igualdad
de condiciones operativas. Por otro lado, se presenta una oportunidad en campo, con el registro de una
termografía, donde consta en el sistema un valor relativamente elevado registrado en la línea L6 (LT
IPU FI2), específicamente en la fase A, donde meses después se produjo una descarga total (flashover), con la correspondiente indisponibilidad forzada de la línea.
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3.1
Tabla de Referencia inicial a partir de los ensayos
DIFERENCIAL DE TEMPERATURA x POTENCIA DISIPADA
DE LOS ENSAYOS 2 y 3
15,7
16
14
Delta T - Ensayo 3
12,2
12
Delta T - Ensayo 2
10,5
11,9
10
9,5
8
8,2
5,6
6
5,6
3,7
4
3,2
1
3,4
2,9
2
0
0,5
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Figura 8: Relación entre Diferencial de Temperatura versus potencia disipada
El principal motivo de realizar esta relación es para relacionar la potencia interna disipada en el
compartimiento, que no se tendrá a mano durante la inspección termográfica (apenas una estimativa)
con un diferencial de temperatura plausible como del ensayo. En la práctica significaría obtener una
idea de como este diferencial está relacionada con la potencia interna disipada.
Previamente al análisis del gráfico, algunas consideraciones deben ser llevadas en cuenta para la
elaboración de una Tabla de Referencia, las cuáles son:


La resistencia lineal no es la misma en todos los trechos de la subestación, esto se debe a 2
factores, uno de ellos por su propia configuración física y otro por la edad;
Considerar una disipación máxima admisible de 100 [W] para trechos con conductores nuevos
y 200 [W] para trechos antiguos;
Con base en estas informaciones, se puede extraer que para potencias internas disipadas superiores a
100 [W] en ambos ensayos la temperatura supera los 2 [ºC], para 200 [W] es superior a 3 [ºC], y así
por delante. De esa forma se presenta abajo la Tabla de Criticidad (ver Tabla 1), elaborada
considerando los ensayos, además de la experiencia de especialistas del sector, pero aclarando que la
misma es pasible de ser modificada de conforme vaya creciendo la experiencia en campo.
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Tabla I: Criticidad basada en el Diferencial de Temperatura
DEMOSTRATIVO DE CRITERIOS BASADOS EN LOS ENSAYOS DE MEDICIONES
DIRECTAS Y DE TERMOGRAFÍA EN LA GIS
Tipo de
Problema
Normal
Observación
Atención
Urgente
Crítico
3.1
Diferencial de
Temperatura
Parámetro de Referencia
Prioridad
Acción
Requerida
Para trechos conductores nuevos es
admisible un aumento de temperatura
que resulte en este diferencial de
temperatura
Nivel 4
Ninguna
No reviste una inmediata amenaza para
las personas o para la confiabilidad del
sistema. Nivel admisible dentro del
rango de dispersión y tiempo de uso
Nivel 3
Mantener
observación
periódica
Posee potencial a mediano plazo de
afectar la seguridad del personal y en la
confiabilidad de la subestación
Nivel 2
Programar en
máximo 30 días
8 < ΔT ≤ 10
Posee potencial corto plazo de afectar
la seguridad del personal y en la
confiabilidad de la subestación
Nivel 1
Reparo
programado de
urgencia
ΔT > 10
Identificado como de riesgo inminente
para la seguridad del personal y puede
afectar directamente a la confiabilidad
de la subestación
Nivel 0
Desenergizar
equipo
0 < ΔT ≤ 2
2 < ΔT ≤ 4
4 < ΔT ≤ 8
Experiencia de campo con el Vano de Salida de Línea L6
Con la sistematización de la respectiva Planilla de Inspección y Control de Termografía Superficial,
son registradas de forma periódica valores termográficos solicitados en este documento, cuyas
orientaciones están plasmadas en la correspondiente Instrucción de Mantenimiento. Durante un
mantenimiento periódico, fue detectada una anomalía en la fase A del vano de salida de línea L6 (LI
IPU FI2), y basada en la premisa de la Tabla de Referencia citada en el tópico 3.1, se registró un
diferencial de Temperatura clasificado como nivel 3, que requiere una constante observación y tomas
termográficas más frecuentes. La figura 9 muestra algunas de ellas, así como el estado del conductor.
Figura 9: Termografías y conductor dañado por vibraciones
Posteriormente, fue solicitada la apertura del compartimiento tipo 4 de la fase A que por condiciones
operativas no fue permitido. Unos meses más tarde se registró una falla en la fase B, aparentemente
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sin anomalías, cuya indisponibilidad forzada permitió la apertura de las fases B (descarga) y a (punto
caliente) para inspección, donde fue tomada la decisión por parte del Mantenimiento en sustituir las
tulipas de contacto por el modelo más nuevo a resorte helicoidal con su correspondientes conductores.
4.
CONCLUSIONES
Con relación a los ensayos, lamentablemente un único tipo de compartimiento no es representativo de
todos los tipos existentes en la instalación, debiendo ser realizada una tipificación de todos los trechos
sus características de resistencia lineal para estimar si ha sufrido alguna alteración a lo largo del
tiempo, sin olvidar que las medidas termográficas son confiables desde que los ajustes de emisividad
de los materiales a ser medidos sean considerados en la configuración de la cámara.
Pudo observarse de los datos extraídos de los ensayos la existencia de un reducido aumento de
temperatura superficial que no corresponde linealmente a una alta temperatura interna del invólucro
bajo las presiones positivas ensayadas y semejantes a las utilizadas en la instalación. Este fenómeno se
debe básicamente a la alta capacidad del gas SF6 de amortizar la disipación interna de calor.
Cabe recordar que, durante un mapeo superficial aéreo se tendrán apenas datos relativos a la
temperatura superficial obtenida por la cámara termográfica e informaciones del Sistema Integrado de
Redes Industriales (SIRI) relativos a corriente y eventuales potencias generadas en las barras o salidas
de línea, entre otras, pero no en la totalidad de los trechos.
La información registrada de la resistencia por metro lineal de cada trecho bajo termografía servirá de
referencia para registro de los datos del comportamiento térmico de trechos con probables anomalías y
acompañamiento para posteriores inspecciones.
La realización de más ensayos podría mostrar la tendencia de esta característica, que pode variar de
acuerdo con su posición. Conforme observado en la figura 8, para mayores potencias disipadas, el
delta T puede ser mayor para trechos verticales. No hay absoluta seguridad de que posterior a un
determinado valor de potencia disipada este comportamiento sea lineal o exponencial.
BIBLIOGRAFÍA
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