Experiencias Prácticas con Dispositivos para Monitoreo de Descargadores de Sobretensiones de Última Generación

INMR Español, Pararrayos

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Resumen

Durante los últimos 30 años, se introdujeron al mercado numerosos dispositivos con diferentes tecnologías para el monitoreo de descargadores de sobretensiones. Hoy en día, el monitoreo de la corriente de fuga es un método predominante para evaluar la condición de los pararrayos y más importante para estimar el resto de su vida útil. Sin embargo, hay efectos en la corriente de fuga del pararrayos, que conducen a errores de medición, interpretaciones falsas y finalmente a reemplazos innecesarios o incluso a un colapso inesperado de un pararrayos. La utilización de la corriente de fuga para el monitoreo del descargador de sobretensiones a menudo causa confusión ya que diversos fenómenos del comportamiento de la corriente de fuga deben ser entendidos. Este documento está basado en las primeras experiencias con un Sistema de Monitoreo de pararrayos de última generación examinado en el laboratorio de pruebas y en una extensa prueba de campo a nivel internacional en numerosos países con diferentes Sistemas de Alta Tensión, climas y condiciones ambientales. El documento ofrece nuevas perspectivas sobre los efectos en la corriente de fuga del pararrayos y puede usarse como una guía para la interpretación de los resultados de medición y la toma de decisiones precisas en el mantenimiento de pararrayos.

Con el fin de construir una base de conocimientos adecuada para los usuarios de monitores de pararrayos, diferentes efectos sobre la corriente de fuga del pararrayos, que pueden conducir a malentendidos en los datos medidos, fueron investigados. Temperatura e influencias relacionadas con la red como los armónicos en la tensión del sistema juegan un papel menor ya que hay métodos existentes para una compensación aproximada de los mismos. El clima y la contaminación todavía influyen en la corriente del descargador al agregar corrientes superficiales y, por lo tanto, errores a los valores medidos. Una entrada de humedad o una degradación sucesiva de los bloques MOV (Metal Oxide Varistor, por sus siglas en inglés) son las razones más comunes de fallas en pararrayos y deben detectarse a tiempo. Solo la comprensión adecuada de los valores de corriente de fuga medidos, preferiblemente disponibles como datos periódicos registrados a largo plazo, garantiza el reconocimiento temprano de fallas y la toma de una decisión correcta para reemplazar un pararrayos. Por lo tanto, los casos más frecuentes del comportamiento de la corriente de fuga son explicados y se establecen en relación según el escenario práctico correspondiente. Se discuten los efectos secundarios y su impacto en los resultados medidos y se hacen recomendaciones para una evaluación adecuada de la condición del pararrayos.

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Corriente pico, corriente capacitiva y corriente resistiva – la agonía de una elección

Es bien sabido que los pararrayos de ZnO tienen una impedancia compleja, que consiste en una componente resistiva y una componente capacitiva debido a la estructura molecular del Óxido de Zinc. Bajo tensión de Corriente Alterna, esto resulta en dos corrientes superpuestas: Una corriente capacitiva sinusoidal desplazada -90° en fase a la señal de voltaje, y una corriente resistiva que está en fase con el voltaje y no es sinusoidal, sino que tiene la forma de una señal de pulso periódico (Figura 1).

Figura 1: corriente capacitive y resistiva en un descargador de sobretensiones de ZnO.

Las corrientes capacitiva y resistiva se superponen a una corriente de fuga total, en la que se pueden determinar dos valores importantes, la corriente pico y la corriente del tercer armónico (por ejemplo, a 150Hz) (Figura 2).

Figura 2: corriente de fuga ZnO (izq.) y espectro de corriente (der.).

El valor pico de la corriente del pararrayos siempre está orientada a la componente predominante (capacitiva o resistiva) de la corriente. A bajos niveles de tensión (aprox. <Uc), la corriente pico se orienta a sí misma sobre el valor pico de la componente capacitiva. A niveles de tensión más elevados, principalmente en un rango superior a Ur (tensión nominal), la corriente pico se orienta a sí misma sobre el valor pico de la componente resistiva. Entre esos dos rangos, la corriente pico está influenciada por la distorsión armónica debido a la creciente componente resistiva y muestra un comportamiento con baja sensibilidad a los cambios en el voltaje, o más apropiadamente a los cambios en la característica V-I del pararrayos (Figura 3). Esto califica la corriente pico como un buen indicador para corrientes capacitivas o resistivas puras, pero no para componentes de corriente mixta.

Figura 3: característica de corriente pico de un descargador de sobretensiones

La corriente capacitiva representa la corriente que fluye a través de la capacitancia en serie del pararrayos. Se comporta proporcionalmente a los cambios en el voltaje y, en consecuencia, no muestra una sensibilidad significativa en el área no lineal de la característica V-I del pararrayos.

La corriente resistiva es un buen valor representativo de la condición del pararrayos debido a su alta sensibilidad y crecimiento logarítmico sobre toda el área de corriente de fuga de la curva V-I. Metrológicamente, la corriente resistiva a menudo se basa en el contenido del tercer armónico de la corriente de fuga, que se extrae del espectro de corriente de fuga mediante el uso de un algoritmo de la Transformada de Fourier (Figura 4). [1]

Figura 4: tercer armónico de corriente y corriente resistiva.

Monitoreo de descargadores de sobretensiones – pruebas de laboratorio y experiencias de campo

Durante el desarrollo de un nuevo sistema de monitoreo de pararrayos, se llevó a cabo un extenso programa de pruebas. Como parte integral del programa de pruebas, se realizó una prueba de campo para evaluar el comportamiento del sistema de monitoreo bajo condiciones reales de operación. Se instalaron 30 dispositivos en países de todo el mundo para realizar esta prueba en diferentes y adversas condiciones ambientales (Figura 5).

Figura 5: Descargadores de sobretensión de Alta Tensión con Dispositivos de Monitoreo

Desde entonces, se observaron en campo diversos efectos en el comportamiento de la corriente de fuga del pararrayos y se pudo probar la adecuada función de los dispositivos de monitoreo. Los resultados presentados en este documento se basan en experiencias con el nuevo Sistema de Monitoreo de esta prueba de campo, pero también del laboratorio de pruebas de Alta Tensión de Tridelta.

Influencias de la temperatura y compensación

La temperatura es un factor importante en las mediciones de corriente de fuga, porque los varistores de ZnO son semiconductores y su resistencia depende en gran medida de la temperatura. En consecuencia, la temperatura ambiente de un pararrayos tiene una influencia sobre su corriente de fuga resistiva (Figura 6). Como los operadores de las subestaciones no están interesados en los efectos externos sobre la corriente de fuga, sino en los efectos que provienen del descargador de sobretensión en sí mismo, la influencia de la temperatura ambiente en la corriente de fuga resistiva debe compensarse. [2]

Figura 6: Dependencia de la temperatura de las corrientes de fuga resistiva y capacitiva.

La Figura 6 muestra la diferencia entre las características de corriente resistiva y capacitiva de un Varistor de ZnO a 20 °C y a 40 °C. De 20 °C a 40 °C, la corriente resistiva aumenta significativamente en un factor de 2,0 en una relación U/Uc de 0,40 y solo de 1,4 en U/Uc de 1,20. La corriente capacitiva solo varía ligeramente. De hecho, la influencia de la temperatura en la corriente resistiva es no lineal, dependiendo de la relación de voltaje. Por supuesto, este es un ejemplo tomado de un tipo de varistor específico, otras marcas de varistor y diámetros darán valores diferentes. [3]

Por lo general, los impactos de temperatura en la corriente de fuga resistiva por la temperatura ambiente se compensan midiendo la temperatura ambiente y multiplicando el valor bruto medido por un factor de corrección basado en un modelo de compensación de temperatura. Por supuesto, los modelos de temperatura también difieren entre los tipos de varistores, pero se pueden aproximar para todos los tipos de varistores o pueden ser linealizados aproximadamente para una relación específica U/Uc a fin de simplificar el procedimiento de compensación. Pero hay otra influencia en el algoritmo de compensación de temperatura que surge de la misma medición de temperatura. Por lo general, el sensor de temperatura se dispone dentro del dispositivo de monitoreo y la temperatura medida difiere de la temperatura ambiente debido a la constante de temperatura del dispositivo de monitoreo y el tiempo que lleva hasta que la temperatura ambiente haya sido conducida al sensor de temperatura. La constante de temperatura del dispositivo de monitoreo y del pararrayos debe ser aproximadamente la misma para replicar el mismo impacto de temperatura en ambos. Además, la influencia sobre el sensor de temperatura y el varistor no coincidirán debido a las diferencias en la capacidad de la envolvente del pararrayos y la carcasa del dispositivo de monitoreo para reflejar la luz solar. Los ángulos de radiación solar variables y el sombreado parcial influirán en los cálculos de temperatura. Estos factores conducen a un efecto que se ha observado en los pararrayos en campo, llamado sobrecompensación, donde se resta un valor de compensación, que es mayor que la desviación de temperatura nominal. Finalmente, con el aumento de la temperatura ambiente, la corriente de fuga resistiva no aumenta ni se mantiene estable, se hunde. Esto conduce a una ondulación (ripple) en la corriente de fuga resistiva, debido a las fluctuaciones de temperatura diurnas y nocturnas, descritas en la Figura 7.

Figura 7: efecto de onda (ripple) debido a la sobrecompensación de temperatura.

Este problema se puede manejar optimizando el modelo de compensación de temperatura y de forma más efectiva, con mediciones nocturnas para eliminar principalmente la incidencia de la luz solar.

Humedad y efectos de la lluvia.

Como los pararrayos de alta tensión generalmente son instalados al aire libre, se ven afectados por la lluvia, la humedad o la niebla. En la prueba de campo a largo plazo se determinó que existen diferencias en cómo se produce la humidificación de un aislante. Los efectos de lluvia ligera en la corriente de fuga nunca fueron reconocidos. Las altas corrientes pico del 2 y 19 de mayo se correlacionaron directamente con fuertes lluvias y tormentas, que se determinaron mediante datos meteorológicos. Valores pico inestables se determinaron en el período comprendido entre el 2 y el 19 de mayo, estando relacionados con la lluvia continua y constante, niebla intensa y alta humedad (Figura 8).

Figura 8: aumento de la corriente de fuga por la lluvia, la humedad y la niebla.

Estos altos valores de corriente pico siempre volvieron a su valor nominal durante condiciones secas. La corriente resistiva fue influenciada solo marginalmente.

Pararrayos contaminados

En áreas muy contaminadas, como desiertos, parques industriales y áreas costeras, los pararrayos expuestos a la intemperie a menudo muestran depósitos de sedimentos conductivos en sus envolventes después de un cierto período de tiempo. Se realizó una prueba climática, simulando la creciente contaminación en la envolvente del descargador para adquirir experiencia sobre el impacto de la corriente superficial sobre los valores de corriente de fuga medidos bajo estas condiciones. Se usaron un pararrayos con envolvente de porcelana y uno de silicona, ambos construidos con un diseño eléctrico idéntico y distancias de fuga iguales para investigar las diferencias entre las dos tecnologías de material envolvente (Figura 9).

Figura 9: descargadores de sobretensión con envolventes de porcelana y silicona en cámara de envejecimiento climático.

La prueba comprende un procedimiento similar a condiciones ambientales en un clima de desierto costero con niebla salina, así como humedad en la mañana, seguido de condiciones ambientales cálidas y secas. La primera etapa de la prueba se realizó bajo tensión con condiciones de aire seco y sin niebla salina, ni calor. Esto fue necesario para analizar la corriente de fuga del pararrayos sin influencia de la corriente superficial para crear una condición de referencia para la comparación de los resultados con contaminación superficial. En condiciones secas, la corriente pico es de 1000 μA y la corriente resistiva es de 130 μA para el de porcelana, así como para el descargador de sobretensiones con envolvente en silicona, con esta configuración eléctrica particular. Después de encender el rocío de niebla salina y calefacción en la cámara meteorológica, la corriente pico comienza a aumentar. Después de apagar la niebla salina, la corriente pico vuelve a caer a un nivel que es más bajo que el valor máximo, pero aún más alto que el valor de la corriente de referencia. Este comportamiento se repite en cada ciclo diario con un aumento gradual en el valor máximo diario, así como en el valor nominal posterior al que cae la corriente pico, cuando se apaga la niebla salina y la envolvente del pararrayos se está secando. Este comportamiento se debe al crecimiento continuo de una capa de contaminación con alta salinidad y humedad durante la exposición a la niebla salina. (Figura 10).

Figura 10: alta corriente de fuga debido a la acumulación de contaminación en un descargador con envolvente de porcelana.

Las capas de sal especialmente húmedas tienen una alta conductividad, por lo tanto, prevalece la corriente capacitiva la cual es superpuesta a corrientes sinusoidales muy altas que están en fase con el voltaje. El valor nominal aumenta y la capa de contaminación superficial seca permanece parcialmente conductiva. La conductividad de la capa de contaminación aumenta con la sección transversal de la capa de sal. La corriente resistiva se ve marginalmente afectada porque la corriente total es aproximadamente sinusoidal y primariamente contiene un primer armónico predominante, un pequeño tercer armónico de la corriente del ZnO y una frecuente alta distorsión (Figura 11). [4].

Figura 11: circuito equivalente (izq.), oscilograma de corriente superpuesto y espectro de armónicos (der.).

En contraste con estos efectos claros del grado de contaminación a la corriente del pararrayos de un descargador con envolvente de porcelana, la corriente del pararrayos con envolvente de silicona no muestra ningún cambio en la corriente pico o en la corriente resistiva (Figura 12).

Figura 12: corriente de fuga estable bajo condiciones ambientales adversas en un descargador de sobretensión con envolvente de silicona.

Esta diferencia significativa se debe a las propiedades hidrofóbicas de la silicona. La porcelana siempre muestra un comportamiento de Hidrofobicidad de Clase 6 (90% de áreas húmedas) y, por lo tanto, transporta corrientes superficiales continuas. Una silicona de buena calidad varía entre Clase 1 (gotas discretas) y Clase 3 (gotas planas discretas). En la Clase 3, todavía no hay interconexión entre las gotas. [5] En consecuencia, no hay formación de corriente a través de la superficie del pararrayos. La limpieza de los pararrayos contaminados elimina las corrientes superficiales y devuelve la corriente de fuga a su valor normal (Figura 13).

Figura 13: corriente de fuga en envolvente de porcelana, antes y después de limpieza.

Detección de ingreso de humedad

El ingreso de humedad es la razón principal de falla de un descargador en campo, y es un beneficio fundamental cuando un sistema de monitoreo de descargadores de sobretensión es capaz de detectarlo. Para investigar los impactos de la humedad dentro del pararrayos sobre su corriente de fuga, se llevó a cabo una prueba de laboratorio. Cuatro centilitros de agua fueron vertidos intencionalmente dentro de un pararrayos. Luego se aplicó tensión en el pararrayos y se registró la corriente de fuga durante varias horas. En el siguiente paso, el pararrayos se instaló dentro de un horno y se mantuvo bajo tensión y temperatura ambiente de 40 °C para acelerar la distribución de humedad en el núcleo del pararrayos (Figura 14).

Figura 14: pararrayos en una prueba de ingreso de humedad (izq.), superficie de un varistor en corto circuito debido a una cobertura uniforme por humedad (der.).

Durante la prueba a temperatura ambiente, la corriente pico permaneció en su valor nominal alrededor de 1000 μA y la corriente resistiva mantuvo su valor alrededor de 140 μA. Al calentar el pararrayos a 40 °C, el agua se evaporó. Después de 5 horas a 40 °C, el descargador estaba completamente a temperatura y el agua se distribuyó a lo largo de la pila de varistores. La corriente pico aumentó a más de 14 mA y comenzó a fluctuar debido a la repetición de la rehidratación por secado de la pila de varistores (Figura 15). Se observó un menor impacto en la componente resistiva de la corriente de fuga debido al bajo contenido de 3er armónico de la corriente superficial, como se ilustra en la Figura 16.

Figura 15: corriente pico con mayor humedad interna.
Figura 16: corriente resistiva con mayor humedad dentro del pararrayos.

Para resumir, el ingreso de humedad se puede determinar fácilmente debido a que da como resultado corrientes pico extremadamente altas y fluctuantes, pero cambios bajos en la corriente resistiva dentro del descargador. [6]

Descubriendo MOV degradados

El segundo funcionamiento defectuosos más común de los pararrayos es aquel por daño en sus varistores o por degradación de estos. Los bloques MOV defectuosos generalmente muestran voltajes de referencia más bajos, pérdidas de potencia reactiva más altas y, por lo tanto, corrientes resistivas y capacitivas más altas. Un mal funcionamiento de un bloque MOV dentro de un pararrayos de alto voltaje afecta solo a pequeños cambios en la corriente de fuga resistiva y capacitiva, pero aumenta la tensión de voltaje a todos los demás bloques MOV. Luego se produce un envejecimiento acelerado de los otros bloques y puede conducir a una corriente de fuga creciente. Para simular este comportamiento y probar cómo se comporta la corriente de fuga en estos casos, se llevó a cabo una prueba en un pararrayos con bloques MOV defectuosos (previamente sobrecargados en las pruebas de descarga de línea). Para realizar esto, los bloques MOV sanos del pararrayos se cambiaron por bloques defectuosos en 4 etapas y se registró la corriente de fuga correspondiente (Tabla 1).

Tabla 1: procedimiento de prueba con bloques de MOV defectuosos

La Etapa 1 representa un pararrayos saludable con 6 bloques MOV. La corriente máxima permaneció estable a 1000 μA y la corriente resistiva a 30 μA. En la Etapa 2, se cambió un bloque MOV por un bloque ligeramente dañado para simular daños menores en el MOV. La corriente máxima sigue siendo representativa de la corriente capacitiva y es proporcional al aumento de tensión. La corriente resistiva cambia solo ligeramente. La Etapa 3 consiste en el intercambio de otro bloque MOV saludable por un bloque severamente dañado. Esto conduce a una caída significativa del voltaje de referencia y, en consecuencia, a un aumento mayor en la corriente pico. En correlación con esto, la disipación de potencia aumenta y la corriente resistiva crece a más del 500% de su valor nominal debido a que la relación de voltaje en esta etapa corresponde a la operación de un pararrayos cerca de Uc, donde la característica de corriente-voltaje se vuelve altamente no lineal. Los valores de corriente todavía se mantuvieron aproximadamente estables en estos valores. La Etapa 4 comprende el intercambio de otro varistor para producir una situación en la cual el esfuerzo sobre la tensión de cada varistor individual es mayor de lo permitido por su voltaje de operación continua. La disipación de energía en el descargador produce una gran cantidad de calor, que la envolvente del descargador no es capaz de conducir al medio ambiente. Los valores de corriente resistiva y corriente pico continúan aumentando constantemente; el pararrayos ya está en modo de avalancha térmica. La corriente de fuga resistiva es ahora casi el 900% de su valor nominal, y la corriente máxima un 500% (Figura 17 y 18).

Figura 17: cambio relativo de la corriente de fuga en una prueba de MOV defectuoso.
Figura 18: corriente en una prueba de MOV defectuoso.

Este escenario muestra el comportamiento de una pila de ZnO que se degrada lentamente, lo que conduce finalmente a una avalancha térmica, si el daño no se detecta a tiempo. La corriente de fuga resistiva es muy sensible a los daños del varistor de ZnO y representa claramente la disipación de potencia y, por lo tanto, la salud del pararrayos. La degradación de ZnO es la única condición que aumenta de manera significativa y permanente la corriente resistiva.

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Recomendaciones para el análisis correcto de pararrayos

Finalmente, las experiencias obtenidas se presentan en el siguiente resumen que puede ser usado como una guía para la interpretación de datos de medición de corrientes de fuga. Los supuestos de los casos propuestos probablemente se verán diferentes en campo. Las siguientes recomendaciones y casos pueden ayudar en la toma de decisiones para el mantenimiento de pararrayos.

• Muy importante para la estimación correcta de la salud del pararrayos es la observación de la tendencia de la corriente de fuga en lugar de la comparación de valores absolutos con un umbral de corriente pico sospechoso.

• Los casos pueden elegirse de forma equivocada si se presentan síntomas diferentes al mismo tiempo.

• Si se deben monitorear efectos de corriente de fuga recurrente, transitoria o cíclica (como contaminación del pararrayos), elija un intervalo de registro de datos bajo (<1 día)

• Cuando se mide con una frecuencia de registro igual o superior a 1 día, se recomienda medir por la noche para evitar la influencia de la luz solar.

• Si la situación no está clara, comuníquese con el fabricante del descargador y / o inspeccione el descargador.

Caso 1 – Levantamiento repentino en la corriente pico, y posterior retroceso al valor nominal, sin influencia en la corriente resistiva (Figura 19).

Figura 19: Pictograma Caso 1.

¡El pararrayos está bien! El pararrayos podría verse afectado por la lluvia. Consulte la revisión del clima pasado en el área donde se encuentra el pararrayos. Si no se registró lluvia, el pararrayos puede verse afectado por la humedad, niebla, rocío y / o la contaminación. Verifique la envolvente del pararrayos en busca de contaminación superficial, si el efecto se repite.

Caso 2 – Levantamiento y retrocesos periódicos al valor nominal de la corriente pico, aumento continuo del valor nominal, leve influencia en la corriente resistiva (Figura 20).

Figura 20: Pictograma Caso 2.

La envolvente del descargador de sobretensiones probablemente esté contaminada con salitre, suciedad, productos químicos, etc. Verifique la envolvente para detectar contaminación de la superficie y, si es necesario, limpie el descargador para prevenir seguimiento de erosión o flashover. La corriente de fuga se hunde al valor nominal después de la limpieza. ¡El pararrayos está bien!

Caso 3 – Corrientes pico fluctuantes muy altas, cambios bajos en la corriente resistiva, no se detectó contaminación en la superficie del pararrayos (Figura 21).

Figura 21: Pictograma Caso 3

¡El Pararrayos no está bien! El descargador puede verse comprometido por ingreso de humedad. Compruebe si el descargador está contaminado en la superficie y límpielo, si es necesario. Si la corriente no deja de fluctuar después de la limpieza, reemplace el descargador de inmediato para prevenir una falla peligrosa del pararrayos.

Caso 4 – Valores continuamente crecientes de corriente de fuga resistiva y corriente de fuga capacitiva, sin contaminación ni humedad detectada. (Figura 22).

Figura 22: Pictograma Caso 4

¡El Pararrayos no está bien! El pararrayos puede contener bloques MOV degradados. Verifique el pararrayos con más frecuencia. Consulte al fabricante del pararrayos. Reemplace el pararrayos antes de que la corriente resistiva alcance el umbral máximo dado.

Literatura

[1] IEC 60099-5. “Surge arresters – Part 5: Selection and application recommendations”, Annex D, VDE, 2013.
[2] V. Hinrichsen, “Monitoring of High Voltage Metal Oxide Surge Arresters”, in: VI Jornadas Internacionales de Aislamiento Eléctrico Bilbao, Paper 6.4, 1997.
[3] J. Lundquist, “New method for measurement of the resistive leakage currents of metal-oxide surge arresters in service”, IEEE, 1989.
[4] F. Tighilt, “Voltage Distribution on ZnO Polymeric Arrester Under Pollution Conditions”, UPEC, 2010.
[5] STRI, “Guide1, 92/1 Hydrophobicity Classification Guide”.
[6] Z. Abdul-Malek, “A review of Modeling Ageing Behavior and Condition Monitoring of Zinc Oxide Surge Arrester”, IEEE Student Conference on Research and Development, 2015.