Ensayo y diagnóstico de cables de media tensión con fuentes de tensión sinusoidal VLF

 

Autor: Martin Jenny, jefe de productos de BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH, Sulz (Austria) 

 

Valorar el estado de las instalaciones de cables ayuda a los operadores de redes de media tensión a planificar y mantener sus redes de forma eficiente. Para que el diagnóstico de cables resulte rentable y pueda integrarse fácilmente en las tareas cotidianas, lo más adecuado es utilizar tecnología de medición con fuente de tensión sinusoidal VLF (Very Low Frequency = frecuencia muy baja). Esta fuente se puede utilizar tanto para el ensayo como para el diagnóstico de los cables, pesa poco y proporciona resultados fiables.

 

Para que una evaluación del estado de las instalaciones de cables permita mejorar los planes de inversión y mantenimiento, es necesario efectuar mediciones de diagnóstico. Estas mediciones permiten, por ejemplo, conocer el grado de envejecimiento de los cables o detectar averías ocultas. Así pues, los operadores de redes que, además del ensayo de conexión (ensayo de cables), desean efectuar diagnósticos, se enfrentan a la incógnita de cómo obtener resultados útiles sin invertir mucho tiempo y dinero. El valor de los resultados de medición depende, entre otros factores, de la fuente de tensión utilizada por el equipo de ensayo y medición. En el mercado existen diversas fuentes: por ejemplo, sistemas de resonancia a 50 Hz, sinusoidal VLF a 0,1 Hz (VLF = Very Low Frequency), Damped AC o tensión alterna atenuada (DAC) y VLF Cos-Rect (cosenoidal VLF rectangular, también llamada 50 Hz Slope). El artículo describe por qué un ensayo con tensión sinusoidal VLF a 0,1 Hz representa la mejor solución para el uso cotidiano.

 
Una de las ventajas esenciales es que una fuente de tensión sinusoidal VLF a 0,1 Hz no solo es adecuada para el ensayo de cables, sino que además proporciona buenos resultados en las mediciones de diagnóstico. En este sentido, son importantes la medición de tan delta (también conocida como «medición del factor de disipación») y la medición de descargas parciales (que en adelante abreviaremos como «medición DP»), véase el texto del recuadro. Para obtener una visión clara al respecto, resulta útil comparar las características de las distintas fuentes de tensión.

 
Características de las distintas fuentes de tensión

 
Estos son los principales requisitos que debe cumplir la fuente de tensión:

  • Adecuación para el ensayo de cables/ensayo de tensión soportada
  • Alta precisión en la medición del factor de disipación
  • Obtención de resultados esclarecedores en la medición DP (tensión inicial y tensión de extinción, nivel DP y patrón DP por resolución de fase), además de una buena localización de las DP.
  • Buena reproducibilidad de los resultados para poder comparar las mediciones realizadas en distintos momentos y los resultados de diferentes tramos de cable de la red
  • Posibilidad de aplicar distintos métodos paralelamente, es decir, de combinarlos para ahorrar tiempo
  • Peso ligero; facilidad de transporte, conexión y manejo; breve duración de la medición

 

La Tabla 1 compara las distintas fuentes de tensión tomando como base diversos requisitos. Por lo que respecta al ensayo de tensión soportada, prácticamente todas las fuentes de tensión disponibles habitualmente en el mercado han demostrado ser adecuadas, tanto en la teoría como en la práctica. Sin embargo, la tensión sinusoidal VLF a 0,1 Hz es la única que también permite medir las descargas parciales y el factor de disipación (tan delta). En este sentido, debe recordarse que lo importante es la forma de tensión: Para obtener resultados fiables independientes del tramo de cable, es conveniente una sinusoide ideal (con una frecuencia constante). Las mediciones realizadas con una sinusoide ideal permiten al usuario comparar de forma útil los resultados de medición de distintos tramos de cable o tipos de empalme.

 

Tabla 1: Comparación entre distintas formas de tensión según los diversos requisitos que deben cumplir en la práctica


Requisito

Sinusoidal VLF

Cosenoidal VLF rectangular

Sistemas de resonancia a 50 Hz

DAC

Ensayo de tensión soportada según IEC,

VDE (CENELEC), IEEE

Sí, norma IEEE en preparación

Señal de ensayo independiente de la carga

La fase de oscilación varía en un rango de 30-250 Hz según la norma IEEE400.2 [7], la fase de recarga varía dependiendo de la carga

Frecuencia de ensayo dependiente de la longitud del cable

Frecuencia de ensayo dependiente de la longitud del cable

Precisión de la medición de tan delta

Alta (1*10E-4)

Inadecuada para tan delta

Alta

Media

Sensibilidad/comparabilidad tan delta

Alta

Inadecuada para tan delta

Media; sensibilidad menor que la VLF

Media, dependiente de la carga

Permite la localización DP

Nivel DP y modelo DP comparables con medición a 50 Hz

Aún no está suficientemente investigado

Tensión inicial DP comparable con medición a 50 Hz

Aún no está suficientemente investigado

Fuente de tensión compacta

No






 

En cuanto a la medición del factor de disipación, se ha observado que la medición con tensión sinusoidal VLF es, por su alta precisión y sensibilidad, incluso mejor que la medición a 50 Hz. A una frecuencia de tan solo 0,1 Hz, los valores tan delta para cables con aislamiento de PE son más altos, y gracias a ello se pueden detectar mejor los pequeños aumentos del valor tan delta. Por sus características positivas, la tensión sinusoidal a 0,1 Hz ya ha sido recogida en una norma (IEEE 400.2-2013) que establece tanto los niveles de ensayo como los valores límite para las distintas regiones.

 

La idoneidad de diversas fuentes de tensión a la hora de medir las descargas parciales ya ha sido tratada en diferentes publicaciones científicas. La mayoría de publicaciones ha examinado las posibilidades de comparar los resultados de estas mediciones con los de aquellas que se realizan a la frecuencia de servicio (50 o 60 Hz). A modo de resumen, de lo expuesto en las publicaciones [1] a [6] se puede extraer el siguiente resultado:


Al comparar las mediciones efectuadas con 2 x U0 en seis empalmes envejecidos por el uso, una fuente de tensión cosenoidal VLF rectangular dio como resultado un nivel DP de aprox. 5.500 pC, es decir, unas 5,5 veces superior al de las mediciones realizadas con 50 Hz y con tensión sinusoidal VLF [6]. La medición con 50 Hz y la medición con tensión sinusoidal a 0,1 Hz mostraron niveles prácticamente idénticos. El hecho de que la fuente de tensión cosenoidal VLF rectangular arrojase valores de medición más altos significa que la medición ejerce una carga mayor sobre los empalmes ya envejecidos por el tiempo de funcionamiento. Además, al comparar la fuente de tensión sinusoidal con la rectangular, se constató [6] que la forma de curva de la tensión de ensayo influye más que el aumento del nivel de 2 x U0 a 3 x U0.

 

En cuanto a las mediciones DP con tensión sinusoidal VLF, las citadas publicaciones han descrito que el nivel de tensión inicial DP fue comparable con el de la medición a 50 Hz cuando las pruebas se realizaron en objetos de campo (es decir, objetos que no han sido preparados artificialmente ni construidos en el laboratorio). En el caso de las averías generadas artificialmente, la tensión inicial fue ocasionalmente distinta en la medición VLF y en la medición a 50 Hz. Por lo tanto, las averías y objetos de ensayo generados artificialmente en el laboratorio no son adecuados cuando se trata de seleccionar la fuente de tensión óptima para el uso en campo [4].

 

En cuanto al nivel DP y el modelo DP (distribución de los valores de medición), las publicaciones citadas también revelaron que los resultados obtenidos con tensión sinusoidal VLF a 0,1 Hz son comparables a los obtenidos mediante mediciones a 50 Hz. Esto es válido para los empalmes envejecidos por el uso, tanto si han sido deslizados sobre el cable como si han sido encogidos en caliente. Con respecto a la localización de las descargas parciales, no se observaron diferencias relevantes.

 

La comparación realizada en cuatro tramos de cable con un total de 42 puntos de avería distintos entre la sinusoidal VLF a 0,1 Hz, el sistema de resonancia a 50 Hz, el sistema de resonancia a 20-400 Hz y la instalación DAC no manifestó que ninguna de estas tecnologías fuese claramente mejor al realizar las pruebas en diversos cables de media tensión [2]. El citado análisis no ha demostrado que exista una relación clara entre la intensidad de la DP o la tensión inicial y la fuente de tensión. Así pues, a la hora de elegir una de las fuentes de tensión examinadas en ese estudio, los usuarios deberían aplicar criterios tales como el cumplimiento de las tareas correspondientes, el peso, la manejabilidad o la versatilidad.

 

Consecuencias en la práctica

 

Por lo que respecta al uso práctico, además de la precisión y fiabilidad de la medición, se deben tener en cuenta otros aspectos. Para el uso en campo, debe tenerse en cuenta:

 

  • La facilidad de transporte y conexión de la tecnología de medición
  • El personal y la formación requeridos
  • El tiempo que se tarda en realizar la conexión
  • El tiempo que se tarda en realizar la medición
  • La relación calidad-precio
  • La relevancia de los resultados de medición para fines de mantenimiento preventivo

 

Según estos criterios, las fuentes de tensión VLF ofrecen, por su menor peso y sus dimensiones compactas, una ventaja frente a las fuentes de tensión de 50 Hz. Puesto que la fuente de tensión sinusoidal VLF sirve tanto para mediciones de diagnóstico tan delta como para mediciones DP, los técnicos de redes pueden realizar –con una única fuente– todas las mediciones relevantes en cables nuevos y envejecidos. El uso de una única fuente de tensión sinusoidal VLF permite un claro ahorro de tiempo frente a la opción de emplear distintas fuentes para distintos ensayos o mediciones, ya que exige menos operaciones de conexión. Además, si se usa una sola fuente de tensión, se pueden aplicar métodos de ensayo y métodos de medición en paralelo, como sucede por ejemplo en el Monitored Withstand Test (MWT = Ensayo de Tensión Soportada Monitorizado). La sigla MWT designa las operaciones (parcialmente simultáneas) del ensayo de cables y el diagnóstico de cables con el método tan delta. Para el MWT, el técnico de medición solamente necesita conectar un equipo y se inicia una secuencia de trabajo coherente. Por eso, con solo invertir un poco más de tiempo puede llevar a cabo el ensayo que suele realizarse tras instalar o reparar un tramo de cable y averiguar de ese modo el estado del cable.

 

La combinación entre ensayo y medición de diagnóstico –es decir, el MWT – ofrece las siguientes ventajas:

 

  • El ensayo se prepara y se realiza de manera sencilla (no se precisan conexiones adicionales ni un aprendizaje específico del MWT)  La duración del ensayo se acorta (de p. ej. 60 min a 15 min) si el cable está en buen estado
  • No se somete el cable a ninguna sobrecarga
  • Los resultados se evalúan en tiempo real
  • El estado del cable se puede interpretar fácilmente gracias a la expresión de las caras que aparecen en la pantalla
  • Se obtienen resultados precisos con respecto al estado del cable

 

Recopilación de información complementaria

 

Las informaciones de la medición integral del factor de disipación y de la medición local de descargas parciales se complementan y/o se confirman entre sí y proporcionan a los técnicos y mantenedores de redes más y mejores criterios para evaluar sus instalaciones.

 

El siguiente ejemplo nos muestra por qué es importante disponer de ambas opciones, tanto la de medir el factor de disipación como la de medir las descargas parciales: Normalmente, los empalmes defectuosos (p. ej. los que están mal montados o los que tienen bolsas conductoras de electricidad) se pueden detectar mediante la medición DP (véase la tabla 2). Sin embargo, no ocurre lo mismo con los empalmes húmedos. En este ejemplo (véanse las imágenes 1 y 2, así como la tabla 3), medido en la red de Hong Kong, la medición de tan delta proporcionó la información requerida. La desviación estándar de tan delta en la fase 2 (que puede observarse en la Fig. 1), hizo suponer que había un empalme húmedo, ya que la medición DP no había detectado ninguna actividad DP (demasiada humedad). El MWT (es decir, la combinación de ensayo de cables con medición de tan delta) efectuado durante más de 15 minutos hizo que el empalme se secara y los valores de tan delta disminuyeran claramente (Fig. 2). Eso corroboró la sospecha de que existía humedad.



Desviación estándar

Resultado

Mediciones requeridas

Medidas necesarias

Comentario

< 0,010

Cable en buen estado

Arborescencias de agua

Sólo unas pocas DP

• tan delta • DP

Ninguna, ya que el estado es bueno

Baja desviación estándar de tan delta

Ninguna DP, ninguna DP fuerte

Entre 0,010 y 0,080

Arborescencias de agua y DP

Solamente DP

• tan delta • DP

Envejecimiento moderado con respecto a arborescencias de agua

Se debe analizar la concentración de DP

Arborescencias de agua moderadas: no se requieren medidas inmediatas

Cambiar empalmes, si hay concentración de DP

Entre 0,080 y 0,500

Penetración de agua en los empalmes

tan delta

La DP posiblemente no muestra valores elevados

Solamente la tan delta muestra el efecto

Valores DP atenuados debido a la penetración de agua, la DP no puede servir como criterio

Mediante una localización de averías en la cubierta se puede detectar la ubicación del empalme húmedo, ya que en ella se producen corrientes de fuga

Los empalmes que indiquen bajas DP se deben examinar (aunque los valores DP sean bajos)

> 0,500

Alta

Inadecuada para tan delta

Media; sensibilidad menor que la VLF

Media, dependiente de la carga

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf

Entf



Tabla 2: ejemplo sobre cómo interpretar la desviación estándar de tan delta


STDTD

0,5*U0 (kV)//3,5

U0 (kV)//6,5

1,5*U0 (kV)//10

L1

0,068

0,036

0,060

L2

4,453

2,313

9,343

L3

0,063

0,004

0,050



Tabla 3: valores de medición de la ilustración 1:

 

La fuente de tensión en el trabajo diario

 
Hace unos diez años, la compañía Elektrizitätswerk Mittelbaden Netzbetriebsgesellschaft mbH (nombre abreviado: E-Werk Mittelbaden) comparó el método de tensión sinusoidal VLF a 0,1 Hz con el método de 50 Hz para la medición DP utilizando para ello más de 40 tramos de cable. En aquel momento, el método de 50 Hz dio lugar a valoraciones muy distintas y, sobre todo, a más pronósticos negativos que, hasta la fecha, no se han manifestado como fallos, por lo que dicha empresa se decidió por el método con tensión sinusoidal VLF a 0,1 Hz. Desde entonces, la medición VLF con tensión sinusoidal se ha acreditado en cientos de mediciones. Entre ellas figuran las mediciones de diagnóstico efectuadas en la red de 20 kV de la compañía E-Werks, concretamente en 240 km de cable con 500 tramos (algunos con aislamiento de papel y otros mixtos).

 

En E-Werk Mittelbaden, el diagnóstico de esos tramos de cable se realiza con una tensión sinusoidal VLF a 0,1 Hz mediante DP y, desde hace unos siete años, también con la medición de tan delta. Según Werner Brucker, director de la compañía, al aplicar ambos procedimientos de diagnóstico se obtiene una visión global del grado de envejecimiento y del estado de la red. Los tramos clasificados como «en peligro» se sustituyen con prontitud. Al delimitar cuáles son los tramos defectuosos se consigue un gran ahorro, ya que no hace falta cambiar tendidos de cable completos.

 

En la práctica, durante el ensayo de puesta en servicio de instalaciones de cables nuevas o modificadas, la medición VLF ha demostrado su eficacia para localizar con exactitud los puntos de avería y, en el futuro, detectar también las averías en los accesorios con una medición DP simultánea, lo cual permite minimizar el trabajo de corrección de averías (por ejemplo errores de montaje) o mantenimiento (trabajos de excavación).

 
Brucker destaca, como ventajas fundamentales de la fuente de tensión sinusoidal VLF, su peso y su aptitud para el uso cotidiano. La tecnología de 0,1 Hz puede ser transportada y manejada por un solo trabajador, algo que seguramente no sería posible con una instalación de 50 Hz.

 
El uso de un vehículo de medición con dos personas no suele ser necesario, ya que el equipo de medición y ensayo suele bastar para la mayoría de longitudes de cable. Solamente se precisa el uso de un vehículo de medición en una de cada siete mediciones aproximadamente.

 
Para E-Werk Mittelbaden, la tecnología VLF de 0,1 Hz supone un claro ahorro: Las mediciones puede realizarlas un solo trabajador en poco tiempo. Gracias al corto tiempo de conexión, a la breve duración de la medición y al poco personal requerido, se puede medir un número relativamente grande de tramos de cable por año. Los tramos o secciones que, según la medición, se encuentran en estado crítico, pueden repararse o cambiarse con prontitud. Gracias a ello, el presupuesto para mantenimiento se puede asignar adecuadamente. Aunque el inventario de cables aumente, la red de media tensión se puede explotar con una baja tasa de fallos y con unos costes óptimos gracias a la posibilidad de conocer los puntos débiles de la misma y adaptar el mantenimiento a su estado real.

 
El plan de mantenimiento de E-Werk Mittelbaden tiene un costo de aprox. 4 millones de euros, de los cuales 2,5 millones se destinan a la red distribuidora. Los costes del diagnóstico de cables ascienden, actualmente, a 90.000 €/año.

 
Gracias a las pruebas comparativas realizadas antes de adquirir el equipamiento VLF, Brucker sabe que en sus mediciones hubo diferencias claras entre la tensión sinusoidal VLF de 0,1 Hz y la de 50 Hz.

 
Sin embargo, en la práctica, ya no es importante cambiar de una tensión a otra, puesto que E-Werk Mittelbaden está muy familiarizada con las mediciones VLF a 0,1 Hz y con el modo de interpretarlas, y puede aplicar valores de medición de forma muy fiable para clasificar los tramos de cable. Incluso puede predecir con relativa exactitud –gracias a la experiencia adquirida– si un tramo de cable va a fallar a corto o medio plazo, y gracias a ello priorizar las medidas de mantenimiento necesarias.

 

Conclusión

 
Gracias a la fuente de tensión sinusoidal VLF, un solo trabajador con un equipo portátil puede realizar ensayos de cables y diagnósticos en un tramo de cable. La forma sinusoidal ideal independiente de la carga resulta ventajosa cuando lo que se precisa son resultados reproducibles y fácilmente comparables. La posibilidad de un diagnóstico rápido ofrece las siguientes ventajas:

  • Uso apropiado del presupuesto para mantenimiento
  • Menores costes gracias a la posibilidad de delimitar los tramos defectuosos
  • Menor tasa de fallos
  • Efecto positivo sobre la estructura de costes respecto a la tasa de fallos de la red
  • Calidad de los nuevos tramos de cable (detección de los errores de montaje antes de que produzca un fallo)

 

Referencias

 
[1] The Use of the 0,1 Hz Cable Testing Method as Substitution to 50 Hz Measurement and the Application for PD Measuring and Cable Fault Location; M. Muhr, C. Sumereder, R. Woschitz

 
[2] Jicable 11 – Investigation of the Technologies for Defect Localization and Characterization on Medium Voltage Underground Lines; G. Maiz (Iberdrola Distribución, Spain)

 
[3] New Studies on PD Measurements on MV Cable System at 50 Hz and Sinusoidal 0,1 Hz (VLF) Test Voltage; K. Rethmeier, P. Mohaupt, V. Bergmann, W. Kalkner, G. Voigt

 
[4] Partial Discharge Measurements on Service Aged Medium Voltage Cables at Different Frequencies; G. Voigt, P. Mohaupt

 

[5] VLF-TE Messungen an betriebsgealterten Mittelspannungskabel (Abschlussbericht); G. Voigt

 

[6] Grundlagenuntersuchung zum Teilentladungsverhalten in kunststoffisolierten Mittelspannungskabeln bei Prüfspannungen mit variabler Frequenz und Kurvenform, D. Pepper

 

[7] IEEE 400.2-2013 IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than 1 Hz)



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Mag. (FH) Evelyn Fritsch
BAUR Prüf- und Messtechnik GmbH
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Fig. 1: medición del factor de disipación en un cable trifásico: la fase 2 presenta una alta desviación estándar.

Fig. 2: efecto de secado del empalme húmedo durante un MWT