Pruebas en línea de descargas parciales para generadores de turbina refrigerados por hidrógeno
Los generadores de turbina en centrales nucleares, de carbón, de petróleo y algunas de gas suelen tener una potencia nominal superior a varios cientos de megavatios. Estas máquinas suelen estar refrigeradas por hidrógeno (y, por encima de los 500 MW aproximadamente, tanto por agua como por hidrógeno). Los generadores de turbina refrigerados por hidrógeno tienen muchas ventajas. Debido a la pequeña masa de la molécula de hidrógeno, la eficiencia de una máquina refrigerada por hidrógeno es mayor que la de una máquina refrigerada por aire, ya que hay menos pérdidas por «resistencia al aire» creadas por el rotor giratorio.
La ausencia de oxígeno en la máquina también significa que no se producen procesos de envejecimiento que incluyen la oxidación y, por lo tanto, el envejecimiento térmico es mucho más lento. El hidrógeno a alta presión también es mucho más eficaz que el aire para eliminar el calor debido a las pérdidas I2R en el rotor y el estator. Un efecto secundario importante del uso de hidrógeno a alta presión (15-60 psi-g, o 100-400 kPa-g) en los generadores de turbina es que suprime en gran medida las descargas parciales.
La resistencia a la ruptura eléctrica del aire y del hidrógeno es similar. Lo que hace que la resistencia a la ruptura del hidrógeno sea mucho mayor es el efecto de la presión. Se sabe desde hace más de un siglo que la ruptura eléctrica se ve muy afectada por la presión del gas. La mayoría de los gases tienen una resistencia a la ruptura eléctrica de aproximadamente 3 kV/mm cuando están secos y a 100 kPa. Por el contrario, si la presión es tres veces mayor, la resistencia a la ruptura es de 9 kV/mm.
El efecto dramático de la presión sobre la ruptura da como resultado la supresión de la descarga parcial en máquinas refrigeradas por hidrógeno a alta presión. Por lo tanto, las preguntas que se plantean a menudo son: ¿Es la descarga parcial una causa de fallo del aislamiento? ¿Es útil la monitorización en línea de la descarga parcial? La respuesta breve es no y sí, respectivamente.
A pesar del efecto de la presión, la descarga parcial sigue estando presente en ocasiones en los generadores de turbina refrigerados por hidrógeno. Una de las razones por las que sigue produciéndose la descarga parcial es que estas máquinas suelen estar diseñadas para funcionar a una tensión de funcionamiento más alta (hasta 27 kV) y con una tensión eléctrica media de diseño más alta (normalmente >3 kV/mm en comparación con las máquinas refrigeradas por aire).
Es decir, los fabricantes aprovechan las propiedades de supresión de descargas parciales del hidrógeno a alta presión y reducen las distancias de aislamiento en comparación con las máquinas refrigeradas por aire. Además, ciertos tipos de degradación seguirán generando los campos eléctricos necesarios para romper el hidrógeno a alta presión. Pero, a diferencia de las máquinas refrigeradas por aire, la descarga parcial en sí misma no degradará significativamente el aislamiento.
La descarga parcial más grande que se mide normalmente en las máquinas refrigeradas por aire puede degradar lentamente el epoxi (aunque puede tardar décadas), pero lo que es más importante, la descarga parcial en el aire crea ácido nítrico que puede atacar químicamente el aislamiento. Este fenómeno de ataque químico no se da en las máquinas refrigeradas por hidrógeno. Según mi experiencia, la descarga parcial nunca ha sido la causa directa de fallos en las máquinas refrigeradas por hidrógeno.
Entonces, ¿es útil la monitorización de descargas parciales en máquinas refrigeradas por hidrógeno? Más de 50 años de experiencia han demostrado que las pruebas de descargas parciales en línea pueden detectar dos procesos de fallo importantes en los generadores de turbina refrigerados por hidrógeno:
- Bobinados sueltos en la ranura que provocan descargas en la ranura
- Contaminación de los bobinados del extremo del estator por materiales parcialmente conductores, como aceite mezclado con polvo/suciedad, lo que provoca trazas eléctricas.
En estos casos, la descarga parcial es solo un síntoma de la presencia de bobinados sueltos y contaminación. Concretamente, la descarga parcial es solo un síntoma, no un factor que contribuya a la velocidad de deterioro.
Esta capacidad para detectar bobinados sueltos en la ranura y contaminación se ha demostrado en docenas de estudios de casos publicados desde la década de 1970. La descarga parcial, al ser un síntoma de estos dos procesos de deterioro, es la razón por la que todos los principales fabricantes de generadores de turbinas ofrecen servicios de pruebas de descarga parcial en línea (al igual que Iris-Qualitrol).
Sin embargo, cabe señalar que la descarga parcial en línea no parece ser capaz de detectar pequeñas fugas de agua en el aislamiento o la vibración del extremo del devanado, otras dos causas importantes del envejecimiento o fallo del devanado de arranque.