Inspección con infrarrojo & UV de líneas de transmisión aéreas Estudio de caso en florida, EE.UU.

INMR Español, Mantenimiento

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En este artículo editado para INMR y escrito por James Brady, un termógrafo en infrarrojo certificado de nivel III, se informan los hallazgos de las inspecciones de línea realizadas en nombre de dos empresas de servicios básicos de Florida. Estos proveedores de energía comparten la operación de una línea de transmisión crucial que experimentó fallas en los aisladores. En respuesta, contrataron a Brady para realizar una inspección completa de este activo. Aunque ambas empresas han estado realizando inspecciones visuales e infrarrojas para identificar las amenazas a la confiabilidad y, aunque fueron efectivas para encontrar la causa raíz de ciertos problemas, se siguieron experimentando fallas en los aisladores poliméricos. Se sospecha que la causa sería la actividad de corona. El efecto corona no se puede detectar durante una inspección infrarroja y, por lo general, su impacto potencialmente destructivo no se entiende ni aprecia a cabalidad.


El efecto corona es una descarga eléctrica en la región de alto campo eléctrico de un aislador. Por lo general, este ocurre en las cercanías de las superficies conductoras, pero, a veces, también ocurre cerca de las superficies aisladoras debido a los procesos de ionización en el aire que involucran la transferencia de electrones que se están “saliendo” de órbita y vuelven a ser capturados por los átomos. Este evento de “recombinación” libera energía en la forma de fotones de luz y es el brillo que comúnmente se observa en las líneas de transmisión durante condiciones de luz baja. El mismo efecto se puede observar durante el día con el uso de cámaras UV solares ciegas.

Close-up of rupture pattern on polymeric insulator.
Fig. 1: Patrón de rotura en aislador polimérico. Las áreas oscurecidas entre las polleras son vías defectuosas a tierra.

Para que exista una actividad de corona, es necesario un campo eléctrico alto junto con cómo las formas de los componentes energizados tienen influencia en ese campo. Por ejemplo, los bordes filosos, las esquinas, los puntos, los radios estrechos u otros objetos irregulares dentro de una región del campo eléctrico alto, todos tienen el potencial para iniciar el efecto corona. En la Figura n.° 2 se muestran tres configuraciones de aislador diferentes con los campos eléctricos resultantes. Las áreas negra, naranjo y amarillo muestran las gradientes más altas. Nótese cómo cada forma diferente tiene influencia en la gradiente y también la ubicación de las secciones más vulnerables de un aislador que opera dentro de un campo eléctrico alto.

Infrared-&-UV-Inspection-results for corona
Fig. 2: (Izquierda) Campo eléctrico que rodea tres aisladores con formas diferentes. (Derecha) Efectos sobre el campo eléctrico con anillo anticorona instalado.

Cuando las empresas de servicios básicos están considerando qué diseños de aisladores poner en servicio, por lo general, los fabricantes les muestran modelos computacionales donde se indica donde existe el campo eléctrico y la posible interacción con el aislador. Con este proceso también se determina si siquiera son necesarios los anillos anticorona/dispositivos de gradación de campo. En la Figura n.° 2 se ilustra cómo los anillos anticorona sirven para disipar y transferir el campo eléctrico alto fuera de las áreas vulnerables de un aislador.

La actividad de corona puede existir más fácilmente, incluso en un campo eléctrico relativamente bajo, con alta temperatura y baja presión de aire (es decir, altitud más alta). Por el contrario, la humedad alta, sin la presencia de condensación, tiene el efecto opuesto y requiere de campos eléctricos más altos para que se inicie el efecto corona. La condensación, si la hay, aumenta el efecto corona debido a las formas superficiales irregulares que se producen por las gotas de agua en un campo eléctrico alto.

El efecto corona puede tener varios efectos perjudiciales en los sistemas de energía eléctrica y también en las ondas de aire que los rodean. Estos incluyen:
• pérdida de energía, es decir, la electricidad se pierde en el aire debido a la ionización;
• interferencia electromagnética que afecta las transmisiones de radio y televisión;
• ruido audible;
• producción de ozono (O3), que es especialmente destructivo para el material de la cubierta de los aisladores poliméricos;
• creación de pequeñas concentraciones de ácido sulfúrico que también es dañino para los aisladores poliméricos, así como para los conductores metálicos y otros componentes de la línea.

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Detección de efecto corona en las líneas

La tecnología de detección infrarroja (IR) aunque es ideal para identificar los puntos calientes en los sistemas de energía eléctrica, tiene un valor limitado cuando se trata de detectar la actividad de corona. La experiencia muestra que solo las etapas avanzadas del efecto corona, a veces, pueden ser visibles cuando se usa una cámara infrarroja. Además, para aumentar la eficacia de la IR para detectar el efecto corona, se deben realizar inspecciones tarde en la noche, cuando ya no existen los efectos de la ganancia solar en los equipos. Incluso así, las diferencias de temperatura pueden ser leves y difíciles de detectar. Dicho esto, las cámaras ultravioleta (UV) ciegas solares y los dispositivos de ultrasonido son las tecnologías más efectivas para detectar la presencia del efecto corona. El ultrasonido, aunque es altamente eficaz para la detección en rangos cercanos, sufre la atenuación de la forma de onda a medida que la distancia entre la actividad de corona y el dispositivo aumenta. Desafortunadamente, esto es común cuando sea que se inspeccionan las líneas de energía. A pesar de que hay disponible platos parabólicos para minimizar la pérdida de señal, estos dependen del conocimiento del operador para rastrear la señal hasta la fuente. El proceso puede ser lento e insuficientemente exacto.

La herramienta ideal para detectar la actividad de corona es una cámara UV solar ciega. A diferencia del ultrasonido, las cámaras tienen la capacidad de ubicar rápida y exactamente la actividad de corona, incluso desde una gran distancia. Sin embargo, aunque son fáciles de operar, las imágenes que se producen requieren que el operador esté capacitado y tenga experiencia para interpretar los hallazgos de manera correcta. Al igual que una cámara térmica que opera dentro de longitudes de onda específicas en el espectro electromagnético, las cámaras UV solares ciegas, operan dentro del espectro UV. Sin embargo, a diferencia de las cámaras IR que recolectan la energía radiante natural, las cámaras de corona filtran la energía solar que ocurre naturalmente y capturan solo la energía UV que produce el efecto corona y otras fuentes. La cámara, en su forma más simple, es una superposición de una imagen visual con un evento UV no solar, es decir, ver a través de una cámara de corona permite generar una imagen visual con señales tipo “estrella” donde hay una actividad de corona (ver la Figura n.° 3). Mientras más fuerte sea la señal, más persistente y “ruidosa” será la señal tipo estrella.

Desafortunadamente, el costo, junto con la necesidad específica para la que mejor sirven estas cámaras, ha hecho que esta tecnología aún no se use ampliamente en el mantenimiento predictivo. La comunidad de la industria energética se puede beneficiar mucho al entender mejor la naturaleza potencialmente destructiva del efecto corona y la tecnología de inspección que mejor puede identificar su presencia antes de que ocurran las fallas.

\69 kV ceramic insulator with corona activity on live end conductor shoe.
Fig. 3: Aislador cerámico de 69 kV con actividad de corona en la zapata del conductor del extremo vivo.

Aunque las cámaras UV solares ciegas tal vez aún no gozan de la popularidad ni el reconocimiento de las cámaras IR en el campo del mantenimiento predictivo, juegan un rol valioso en la detección de las emisiones de corona y la interferencia de frecuencia de radio en los equipos de transmisión y distribución. En general, son los equipos de mantenimiento e inspección internos que trabajan para las empresas grandes de servicios básicos eléctricos los que más usan las cámaras solares ciegas. Pero, incluso aquí, estas cámaras son subutilizadas en comparación con su potencial y esto se debe a que no se entiende a cabalidad el efecto corona y su impacto dañino en los aisladores, los conductores y las conexiones.

Línea de Transmisión que se Inspecciona

The 138 kV transmission line investigated as part of the contracted inspection program runs about 140 miles (200 km) and follows a highway linking south Florida with the KeysLa línea de transmisión de 138 kV investigada como parte del programa de inspección que se contrató para alrededor de 200 kilómetros corresponde a una carretera que une el sur de Florida con Keys, que por lo tanto abarca varios cruces de agua. La construcción es una mezcla de aisladores poliméricos y cerámicos en forma de V verticales y horizontales, y configuraciones de extremos muertos. Los aisladores en servicio en la sección de más al este están equipados con anillos anticorona, pero los que están en las secciones del medio y del oeste no (ver la Figura n.° 4). Las secciones más antiguas tienen aisladores que alcanzan los 20 años de servicio.

Typical pole construction of 138 kV system with no corona rings.
Fig. 4: Construcción de poste típica de sistema de 138 kV sin anillos anticorona. (Arriba) Configuración de arriostramiento de 45 grados de aisladores poliméricos, común en la mayoría de los postes. (Abajo) Estructura del extremo muerto con mezcla de poste cerámico y extremos muertos poliméricos.

Los aisladores poliméricos en servicio en esta línea están formados por una varilla interna con núcleo de fibra de vidrio fijada en ambos extremos a los fittings metálicos del extremo para unirse al poste y la línea energizada. Una cubierta de goma de silicona con polleras alternadas alberga el ensamblaje completo. Aunque la goma es confiable para formar gotas de agua y encapsular la contaminación superficial, es susceptible a rasgarse y también se puede degradar rápidamente si existe una corriente de fuga sostenida debido a la incrustación de contaminación combinada con la falta de lluvia. Un elemento clave de estos aisladores es el sello donde el forro se encuentra con los fittings del extremo. Si se permite que penetre humedad, esta se puede absorber a través de la varilla e iniciar descargas internas parciales. Eventualmente, el forro tendrá picaduras desde el interior y la actividad de corona se iniciará en el exterior. Este proceso continúa hasta que la distancia de arco del aislador se hace tan corta que causa una falla eléctrica a la tierra.

Tanto las inspecciones técnicas como las de corona se realizaron desde vehículos. Se inspeccionaron los cruces de agua con botes de fondo plano. La inspección del efecto corona se realizó a la luz del día con una cámara UV solar ciega Ofil Luminar con lentes de teleobjetivo que permiten hacer escaneos hasta varios cientos de yardas. Ya que la actividad de corona depende de la temperatura y la humedad, las secciones de la línea se volvieron a escanear a horas diferentes en días diferentes para asegurar que los hallazgos se relacionan con un rango de posibles condiciones atmosféricas. También se monitorearon los parámetros del clima y se registraron durante cada día de las inspecciones. También se registraron las coordenadas del GPS para cada estructura donde se identificaron algunas situaciones excepcionales y se documentaron. Luego, estos datos se utilizaron para generar un archivo Google Earth KMZ que se incorporó en el informe final. Los escaneos infrarrojos se completaron con un generador de imagen térmica Flir equipado con lentes de teleobjetivo de 12 grados. Ya que se anticipó que la actividad de corona, de ser esta detectable, tendría pequeñas marcas de delta-T, fue fundamental que se evitara la carga solar en los aisladores. Por lo tanto, el escaneo comenzó en promedio cuatro horas después de la puesta de sol. Entre los componentes de la línea y los equipos que se estaban inspeccionando con estas dos tecnologías se encuentran:

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• Aisladores poliméricos
o Correas V
o Extremos muertos
o Correa V horizontal

• Aisladores de porcelana
o Extremos muertos
o Poste de línea horizontal

• Herraje / Conexiones
o Grapas de la línea / Zapatas
o Ensamblaje de poste y clavija de dos patas en los extremos muertos
o Empalmes
o Conexiones de atenuador de 4 agujeros en puentes
o Ensamblajes de línea estática / extremo muerto en los postes.
o Amortiguadores de vibración de la línea

Hallazgos de efecto corona con el uso de cámara

La cámara UV solar ciega tuvo éxito en ubicar la actividad de corona en varios componentes. Los ejemplos y la discusión sobre los hallazgos se muestran a continuación:
• Extremo vivo de aisladores poliméricos en los extremos muertos (Fig. 5)
• Aislador de arriostramiento de 45 grados en correas V horizontales (Fig. 6).
• Aisladores de poste de porcelana en la conexión apernada del segmento y en el extremo vivo de la zapata / grapa de línea (Fig. 7).
• Pesos faltantes en amortiguadores de vibración (Fig. 8)
• Conexiones de grapa con perno en U (Fig. 8)
• Conexiones de clavija de dos patas en los extremos muertos (Fig. 9)

El patrón del efecto corona que se muestra en la Figura n.° 5 es típico de lo que se encontró en muchas estructuras del extremo muerto, es decir, la actividad en el sello del extremo vivo donde el forro se encuentra con los fittings. Durante esta inspección, se encontraron alrededor de 15 a 20 problemas de este tipo.

Corona detected on live end of dead-end insulators (red circle)
Fig. 5: Efecto corona detectado en el extremo vivo de los aisladores del extremo muerto (círculo rojo).

El patrón del efecto corona que se muestra en la Figura n.° 6 fue uno de los varios hallazgos que muestran el daño grave del efecto corona en los aisladores del arriostramiento de 45 grados. Durante la inspección, tres de los aisladores afectados se cambiaron inmediatamente y se programó el cambio de otros 5 o 6 para el mes siguiente. Se sospechaba que el diámetro más pequeño de estos aisladores era la causa de que el campo equipotencial se intensificara significativamente y generará un campo eléctrico potente, es decir, un ambiente favorable para el desarrollo del efecto corona. En este caso, el modo de falla sería similar al que se explica anteriormente, donde la humedad ingresa al aislador. En la imagen de la izquierda se muestra el patrón de migración de la actividad de corona y también el acortamiento de la distancia de arco “efectiva” desde el extremo vivo a la tierra.

Corona detected on 45-degree bracing insulator
Fig. 6a: Efecto corona detectado en el aislador del arrostramiento de 45 grados (círculo rojo).
Close up of two insulators immediately taken out of service during survey.
Fig. 6b: Acercamiento de los dos aisladores que se sacaron inmediatamente de servicio durante la inspección. Nótese la varilla de fibra de vidrio expuesta en el lugar de la actividad de corona.

En la Figura n.° 7, se muestra la actividad de corona en los aisladores cerámicos. También es posible que lo que se ve sea un arco de banda seca, que es causado por la corriente de fuga superficial que, a la vez, es provocada por la acumulación de contaminación. Nótese que la distancia de arco se ha reducido significativamente, especialmente en la imagen a la derecha.

Corona detected on ceramic stand-off insulators at bolted joint and live-end mechanical shoe attachment.
Fig. 7: Efecto corona detectado en los aisladores stand-off en la unión apernada y en el accesorio mecánico de zapata del extremo vivo.

En la Figura n.° 8 se muestra la actividad de corona en un punto donde solía estar ubicado el peso del atenuador de vibración de la línea (fotografía de la izquierda). Aunque no es una amenaza crítica para el sistema, la cámara de corona identificó fácilmente el componente dañado, que está diseñado para controlar las oscilaciones generadas por el viento y para reducir la tensión en las hebras del conductor. En la fotografía de la derecha se muestra la actividad de corona en los extremos apernados en una zapata de la línea. Nuevamente, aunque no representa una amenaza inmediata para el sistema, los ácidos leves que se generan a partir del efecto corona acelerarán gradualmente la oxidación en el herraje.

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Fig. 8: Corona detected on pointed ends of anti-vibration weight support and bolt ends on conductor shoe.
Fig. 8: : Efecto corona detectado en los extremos puntiagudos del soporte del peso antivibración y en los extremos apernados en la zapata del conductor.

En la Figura n.° 9 se muestra la actividad de corona en el pasador tipo perno que sujeta la zapata de la línea al aislador muerto. La inspección de acercamiento reveló que la clavija de dos patas que evita que el pasador tipo perno se salga y que caiga la línea se había deteriorado gravemente debido a la exposición de largo plazo a la actividad de corona.

Fig. 9: Examples of corona detected on cotter pin connections at live end.
Fig. 9: Ejemplos de efecto corona detectado en las conexiones de clavija de dos patas en el extremo vivo.

Los problemas que se ilustran más arriba se identificaron con una cámara UV solar ciega. También se realizó la inspección con la cámara infrarroja y a continuación se presenta la discusión sobre las cosas en común de estas dos tecnologías.

Hallazgos con Cámara Infrarroja

Las inspecciones con cámara infrarroja se realizaron después de la puesta de sol para eliminar los efectos de la carga solar en los aisladores. Esto permitió una mejor detección de las pequeñas alzas en el delta T debido al efecto corona, así como también otros defectos que no se ven tan fácilmente durante una inspección infrarroja durante el día. La mayor parte de las veces, los hallazgos de la inspección con la cámara de corona no se verificaron con la cámara infrarroja. La Figura n.° 10 muestra un ejemplo donde se detectó el efecto corona en el extremo vivo del aislador con arriostramiento de 45 grados, pero que no se detectó con la cámara infrarroja. Ya que estas dos imágenes se tomaron el mismo día, pero separadas por horas, es posible que la actividad de corona haya cesado y, por lo tanto, no se pudo detectar con la cámara infrarroja. Sin embargo, la explicación más probable es que la actividad de corona no era lo suficientemente potente para dejar una marca de calor detectable. En este caso, la “estrella” observada con la cámara de corona era intermitente y no tan potente como se podría observar en los aisladores con etapas avanzadas de daño inducido por el efecto corona.

UV Inspection
Fig. 10: ejemplo de actividad de corona no detectable con el generador de imagen infrarroja (el círculo blanco en termograma es la ubicación del efecto corona). El punto blanco grande en la parte de atrás es la luna.

La presencia del efecto corona se detectó con la cámara infrarroja, pero solo en unos pocos casos donde la actividad era fuerte. Aquí, había una señal persistente cuando se veía a través de la cámara de corona. En la Figura n.° 11 se muestra la marca de calor del efecto corona. Nótese que esta marca es pequeña y alguien con un ojo no entrenado la podría haber pasado por alto fácilmente.

Fig. 10: Example of corona detected with solar blind corona camera and with heat signature detectable with infrared imager (white circle shows small hot spot).
Fig. 11: Ejemplo de efecto corona detectado con cámara de corona solar ciega y con marca de calor detectable con generador de imagen infrarroja (el círculo blanco muestra el punto de calor pequeño).

La actividad de corona y, posiblemente, el arco de banda seca en los aisladores cerámicos fue fácilmente detectable con ambas cámaras: la UV y la infrarroja. En la Figura n.° 11 se muestran estos patrones típicos en los aisladores cerámicos con descarga.

UV Inspection
Fig. 12: corona / arco de banda seca detectado en los aisladores cerámicos.

Aunque detectar la actividad de corona era el objetivo principal de esta inspección, se detectaron problemas secundarios con la cámara infrarroja, pero no con la cámara UV. Un ejemplo de esto fue un punto caliente detectado en la conexión del extremo muerto de un puente de línea estático a un poste metálico. El cableado del puente se había roto haciendo que el poste se convirtiera en un punto a tierra para los golpes de rayos. El punto caliente es la manifestación del caudal de corriente generado a partir de la electricidad estática a lo largo de la línea alta que se une con la resistencia en la conexión del poste.

UV Inspection
Fig. 13: Punto caliente detectado en la línea estática conectada mediante el extremo muerto al poste metálico. Nótese que el cable del puente está roto, lo que hace que el poste sea un punto a tierra nuevo establecido.

Uso de drones

En este proyecto también se utilizaron drones para tomar fotografías del daño provocado por el efecto corona en las estructuras que de otro modo no se hubiesen podido tomar tan fácilmente. En la Figura n.° 13 se muestra un dron en el proceso de toma de fotografías de la actividad de corona en un poste que está a una distancia considerable fuera del agua. Haber usado un bote para obtener esta información hubiese tardado varias horas y se hubiesen necesitado recursos costosos de la empresa. Aquí, el dron realizó la tarea en menos de 10 minutos y entregó información que llevó a tomar la decisión de cambiar el aislador al día siguiente.

Drone capturing visual images of where corona activity was detected on insulator
Fig. 14a: Dron tomando imágenes visuales de donde se detectó la actividad de corona en el aislador.
UV Inspection
Fig. 14b: Severidad del daño con varilla de fibra de vidrio expuesta, lo que permite que el agua se infiltre al interior del aislador.

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Conclusiones

Este documento destaca las cualidades de combinar las cámaras infrarrojas con las UV solares ciegas para detectar problemas que implican amenazas serias para la operación segura de una línea de transmisión de 138 kV. La compañía de servicios que es dueña de este sistema sabía que era vulnerable, pero no tenía otra forma de evaluar hasta qué punto lo era. Esta evaluación de la línea identificó las vulnerabilidades y permitió realizar las acciones correctivas a tiempo para evitar aún más paradas, como la que habían experimentado recientemente. Los distintos hallazgos de esta evaluación verificaron que existen amenazas críticas para la operación del sistema y que había que abordarlas inmediatamente. También se encontraron otros problemas no críticos y se han programado reparaciones y cambios para el corto plazo.

Cambio de postes cerámicos deteriorados de la línea de 138 kV en el sur de Florida.

Las empresas que son dueñas de líneas de transmisión y que las operan deberían considerar agregar inspecciones de corona a su programa de mantenimiento, si es que aún no lo hacen. El efecto corona puede llevar a un proceso continuo de degradación que afecta los aisladores, así como también otros componentes que son vitales para operar de manera segura y confiable las líneas de transmisión. De hecho, la razón por la cual los especialistas en mantenimiento predictivo utilizan varias tecnologías es que no existe una herramienta única que pueda satisfacer todas las necesidades para identificar todos los problemas posibles. Este caso demuestra este hecho y confirma que no se debería depender ni de la tecnología de cámara IR ni de la de UV por sí solas como una herramienta única para evaluar la condición de los activos de las líneas de transmisión. A pesar de que la IR detectó el efecto corona en algunos casos, falló en detectarlo siempre. De forma similar, la cámara de corona detectó todas las etapas de la actividad de corona, pero no tenía la capacidad de detectar los problemas relacionados con la resistencia y que son los que generan una marca de calor.

Utilizar drones para evaluar el daño provocado por el efecto corona en los equipos es una herramienta valiosa y fácil de implementar para complementar la evaluación de cualquier línea de transmisión. En este caso, la decisión de no usar drones para llevar las cámaras infrarrojas y de corona se tomó debido al hecho de que una evaluación en suelo era mucho más eficaz en cuanto a tiempo y costo dado el fácil acceso a la línea. Ya que puede que este no sea el caso para todas las inspecciones, se debería considerar caso a caso la aplicación de drones para realizar este tipo de inspecciones.