Descargas finales detectadas con monitoreo de descargas parciales

El monitoreo de descargas parciales se ha convertido en una herramienta esencial para las empresas de servicios públicos que gestionan flotas de generadores obsoletos. Este estudio de caso de BC Hydro ilustra cómo el monitoreo continuo en línea puede detectar el deterioro de las condiciones de aislamiento y orientar intervenciones de mantenimiento eficaces.

El reto del envejecimiento de los generadores

Los generadores hidroeléctricos están diseñados para una larga vida útil, y suelen funcionar de forma fiable durante 40, 50 o incluso 60 años. Sin embargo, a medida que estas máquinas envejecen, los sistemas de aislamiento de los devanados del estator pueden sufrir diversas formas de degradación. El reto para las empresas de servicios públicos es detectar estos problemas con la suficiente antelación para realizar un mantenimiento planificado, en lugar de responder a fallos inesperados.

Las pruebas periódicas tradicionales durante las paradas programadas solo proporcionan instantáneas del estado del aislamiento. Entre estas pruebas, que pueden realizarse con años de diferencia, las condiciones pueden cambiar. La supervisión continua en línea soluciona esta deficiencia al proporcionar una visibilidad constante del estado del devanado del estator mientras el generador funciona en condiciones normales.

Antecedentes del caso

Empresa: BC Hydro, Columbia Británica, Canadá

Especificaciones de la máquina:

• Tipo: generador hidráulico refrigerado por aire.
• Potencia nominal: 239 MVA, 13,8 kV.
• Antigüedad: 37 años.
• Fabricante: confidencial.

Con 37 años de antigüedad, este generador representaba un activo maduro dentro de la flota de BC Hydro. Aunque seguía prestando un servicio fiable, la máquina requería una estrecha supervisión para garantizar un funcionamiento seguro y continuo y permitir una planificación proactiva del mantenimiento.

El sistema de monitoreo

BC Hydro equipó este generador con un completo sistema de monitoreo de descargas parciales. La instalación consistió en seis acopladores PDA (sensores capacitivos) en cada una de las tres fases, dieciocho sensores en total. Estos sensores se conectaron a un instrumento de monitoreo continuo HydroTrac.

Los acopladores capacitivos detectan las señales de alta frecuencia generadas por la actividad de descarga parcial dentro del sistema de aislamiento. Al capturar y analizar continuamente estas señales durante el funcionamiento normal del generador, el sistema de monitoreo puede identificar cambios en los patrones de descarga que indican la aparición de problemas.

La ventaja del monitoreo continuo frente a las pruebas periódicas es la capacidad de observar las tendencias a lo largo del tiempo y detectar los problemas tan pronto como comienzan a desarrollarse, en lugar de esperar a la siguiente parada programada.

Lo que revelaron los datos

El sistema de monitoreo HydroTrac detectó actividad de descarga parcial específicamente en la región del extremo del devanado del estator. Los extremos (también llamados bobinados finales o salientes) son las partes de las bobinas que se extienden más allá del núcleo del estator en ambos extremos de la máquina. Estas regiones son especialmente vulnerables a ciertos tipos de problemas de aislamiento, ya que están expuestas a la atmósfera interna en lugar de estar protegidas dentro de las ranuras del núcleo.

La actividad de descarga fue más pronunciada en la fase C del sistema trifásico. El análisis de los patrones de descarga parcial proporcionó información diagnóstica importante sobre la naturaleza y la gravedad del problema.

Comprensión de la firma diagnóstica

Los datos de descarga parcial de la fase C se mostraron en un gráfico bidimensional que mostraba la relación entre la magnitud de la descarga y el ciclo de tensión de CA. Este tipo de visualización es una herramienta de diagnóstico estándar en el análisis de descargas parciales.

Como se muestra en la figura 1, el gráfico reveló una gran protuberancia en las magnitudes de descarga altas. Esta protuberancia apareció tanto en las partes positivas como en las negativas del ciclo de CA, lo que indica que la actividad de descarga se produjo en toda la forma de onda de tensión. Los niveles de magnitud y el patrón de esta actividad indicaban una condición que requería atención.

_{Figura 1: Gráfico 2D de descargas parciales que muestra un pico en magnitudes elevadas: fase C}

La capacidad de caracterizar los patrones de descarga de esta manera es una de las principales ventajas de la monitorización moderna de descargas parciales. En lugar de limitarse a detectar la presencia de descargas, el sistema puede proporcionar información detallada sobre la magnitud, la frecuencia y la relación de fase de las descargas, lo que ayuda a diagnosticar la causa subyacente.

Respuesta de mantenimiento

Gracias a la información específica sobre la ubicación y la naturaleza de la actividad de descarga, el equipo de mantenimiento de BC Hydro pudo planificar una intervención específica. Los datos de los acopladores PDA indicaban que la descarga se producía en las proximidades de sensores específicos, lo que permitió al personal centrar sus esfuerzos en una zona definida del devanado.

El proceso de reparación

El trabajo de mantenimiento se centró en las diez barras del estator situadas más cerca de los acopladores PD que habían detectado la elevada actividad de descarga. Estas barras se sometieron a un proceso de reparación en dos pasos:

1. Limpieza: Se limpiaron a fondo las superficies de las diez barras identificadas.
2. Recubrimiento: Tras la limpieza, las barras se recubrieron con epoxi glyptal rojo.

El epoxi glyptal es un material aislante estándar utilizado en aplicaciones de máquinas eléctricas. El proceso de recubrimiento restauró la superficie aislante de estas barras. Resultados medibles Uno de los aspectos más valiosos de la monitorización continua es la capacidad de verificar inmediatamente si una reparación ha tenido éxito. En lugar de esperar a la siguiente prueba programada o sufrir problemas continuos, los operadores pueden ver en tiempo real si la acción correctiva ha solucionado la causa raíz. En este caso, los resultados fueron claros y espectaculares.

Rendimiento tras la reparación

Tras la finalización de los trabajos de mantenimiento, HydroTrac continuó monitoreando y analizando las tendencias de los niveles de descargas parciales en las tres fases. Los datos de tendencias de la fase C mostraron una reducción significativa de la actividad de descargas parciales (Figura 2).

_{Figura 2: Tendencia de la actividad de descargas parciales – Fase C}

El gráfico de tendencias abarca desde abril de 2005 hasta enero de 2006 e ilustra claramente el impacto de la reparación. Antes de la intervención de mantenimiento en octubre de 2005, la fase C presentaba niveles de DP superiores a 2500 mV. Tras la limpieza y el recubrimiento de las diez barras, los niveles de descarga descendieron por debajo de 500 mV, lo que supone una reducción de más del 80 %. Es importante destacar que los datos de monitorización mostraron que esta mejora se mantuvo a lo largo del tiempo.

Los niveles de DP se mantuvieron bajos y estables hasta enero de 2006 y más allá, lo que confirma que la reparación había solucionado con éxito el problema subyacente, en lugar de proporcionar solo un alivio temporal. La propuesta de valor es que este caso práctico demuestra varias ventajas importantes que la monitorización continua de descargas parciales ofrece para la gestión de flotas de generadores, siendo la más importante la detección temprana de problemas.

El sistema de monitorización identificó un problema de aislamiento mientras el generador aún funcionaba con normalidad. No había indicios de fallo, ni alarmas, ni disparos, solo una actividad de descarga que se desarrollaba gradualmente y que la monitorización continua detectó en sus primeras etapas. Esta alerta temprana proporcionó tiempo para planificar y programar el mantenimiento durante una interrupción conveniente, en lugar de tener que responder a una emergencia.

Precisión diagnóstica

Los datos de monitoreo no solo indicaban que «algo iba mal en alguna parte», sino que proporcionaban información específica sobre la ubicación del problema (fase C, región del extremo del devanado, cerca de sensores específicos) y el tipo de patrón de descarga que se estaba produciendo. Este nivel de detalle diagnóstico permitió realizar reparaciones específicas en lugar de una investigación exhaustiva o una sustitución total.

Uso eficiente de los recursos de mantenimiento

Dado que los datos de monitoreo identificaron con precisión el área del problema, el personal de mantenimiento pudo centrar sus esfuerzos en diez barras específicas en lugar de inspeccionar todo el devanado. Esta eficiencia se traduce directamente en una reducción del tiempo de interrupción y de los costos de mantenimiento.

Verificación objetiva de la reparación

Los datos de tendencias posteriores a la reparación proporcionaron pruebas cuantitativas y objetivas de que el trabajo de mantenimiento había sido satisfactorio. En lugar de basarse en una inspección visual o una evaluación subjetiva, el mismo sistema de monitoreo que detectó el problema confirmó que se había resuelto. Esta verificación da confianza a los operadores para volver a poner la máquina en servicio.

Gestión de activos a largo plazo

Más allá del caso inmediato, el monitoreo continuo proporciona información valiosa para las decisiones de gestión de activos a largo plazo. Los datos ayudan a las empresas de servicios públicos a comprender qué máquinas están experimentando problemas, qué tipos de problemas se están produciendo y con qué rapidez están cambiando las condiciones. Esta información permite planificar mejor el mantenimiento futuro y la eventual sustitución.

¿Qué es una descarga parcial?

Una descarga parcial es una descarga eléctrica localizada que solo puentea parcialmente el aislamiento entre conductores. A diferencia de una avería completa (que causaría un fallo inmediato), las descargas parciales son pequeños eventos que se producen repetidamente dentro de huecos, a lo largo de superficies o en otros puntos débiles del sistema de aislamiento.

Aunque los eventos de descarga individuales pueden no dañar inmediatamente el aislamiento, con el tiempo pueden contribuir a su degradación. Más importante aún, la presencia de descargas parciales sirve como indicador de que algo anda mal en el sistema de aislamiento: hay huecos, contaminación, deterioro u otros defectos que no deberían estar ahí.

¿Por qué monitorear en línea?

Las descargas parciales se pueden medir fuera de línea (con el generador apagado y aplicando voltaje de prueba) o en línea (durante el funcionamiento normal). Cada enfoque tiene sus ventajas, pero el monitoreo en línea ofrece varios beneficios únicos:

• Condiciones de funcionamiento reales: el generador experimenta el voltaje, la temperatura y las fuerzas mecánicas reales de funcionamiento. Los cambios se pueden detectar de inmediato, en lugar de esperar meses o años entre pruebas.
• Sin interrupciones: Las pruebas se realizan sin poner fuera de servicio el generador.
• Historial de funcionamiento: El sistema crea un historial completo del comportamiento de las descargas en diversas condiciones de funcionamiento.

Aplicación a los generadores hidráulicos

Los generadores hidráulicos presentan tanto oportunidades como retos para la supervisión de descargas parciales. Por un lado, estas máquinas suelen funcionar a voltajes relativamente moderados (en comparación con los grandes generadores de turbina), lo que puede facilitar la detección de descargas. Por otro lado, las máquinas suelen ser bastante antiguas, pueden experimentar condiciones de funcionamiento variables y pueden desarrollar diversos problemas de aislamiento. Los problemas en los extremos de los devanados, como los detectados en este caso, son especialmente comunes en los generadores hidráulicos debido a que:

• Los extremos de los devanados están expuestos a la atmósfera interna.
• Los patrones de flujo de aire pueden depositar contaminantes en las superficies de aislamiento.
• Las variaciones de temperatura y humedad pueden afectar a las condiciones de la superficie.
• Las máquinas pueden funcionar durante décadas, lo que permite la acumulación gradual de contaminación.

Lecciones para la gestión de la flota de generadores

Este caso de BC Hydro ofrece varias conclusiones para las empresas de servicios públicos que gestionan activos similares:

• Invertir en infraestructura de monitoreo: La inversión relativamente modesta en acopladores PDA e instrumentos de monitoreo dio sus frutos al detectar un problema de forma temprana y permitir reparaciones específicas.
• Actuar en función de los datos: Disponer de tecnología de monitoreo solo es valioso si los datos se revisan, analizan y se actúa en consecuencia. El equipo de BC Hydro contaba claramente con procesos para revisar los datos de tendencias y responder de manera adecuada.
• Documentar y compartir los resultados: Al documentar este caso (mediante su publicación en IRMC 2006), BC Hydro contribuyó al conocimiento del sector y ayudó a otras empresas de servicios públicos a aprender de su experiencia.
• Considerar su implementación en toda la flota: El éxito de esta máquina sugiere el valor de implementar una supervisión similar en otros generadores de la flota, en particular en las unidades más antiguas.

Conclusión

En el caso de BC Hydro, la supervisión continua de descargas parciales en este generador hidráulico de 37 años de antigüedad detectó con éxito una actividad de descarga en el extremo del devanado que requería atención. Los datos de monitoreo permitieron realizar un mantenimiento específico (limpieza y recubrimiento de diez barras del estator), lo que dio lugar a una reducción significativa y sostenida de los niveles de descarga.

Este caso ilustra el valor práctico del monitoreo en línea del estado de las máquinas rotativas. Al proporcionar una visibilidad continua del estado del aislamiento, una alerta temprana de los problemas que se están desarrollando, información de diagnóstico para guiar las reparaciones y una verificación objetiva de la eficacia del mantenimiento, esta tecnología ayuda a las empresas de servicios públicos a maximizar la confiabilidad y la vida útil de los activos críticos de generación.

A medida que las flotas de generadores continúan envejeciendo y los intervalos entre las revisiones importantes se alargan, los enfoques de mantenimiento basados en el estado, respaldados por un monitoreo continuo, serán cada vez más importantes para mantener la confiabilidad de la flota y gestionar los costos.

Referencia:

S. Li y J. M. Y. Chow, «Mediciones de descargas parciales en bobinados de estator de generadores hidráulicos. Estudios de casos», Revista IEEE Electrical Insulation, vol. 23, n.º 3, pp. 5-15, mayo-junio de 2007, doi: 10.1109/MEI.2007.369456.