Introducción
En artículos anteriores publicados por la empresa EnerGISar S.A.S se han tocado temas de gran importancia para entender los servicios que esta ofrece, ampliando el panorama y entendimiento sobre lo que es y lo que compone a una subestación GIS. Como se ha podido observar, las subestaciones GIS han sido una solución innovadora con una extensa lista de beneficios; sin embargo, dada la complejidad de su diseño y las altas tensiones que estas pueden soportar, es esencial realizar pruebas eléctricas, especialmente pruebas de alta tensión y descargas parciales buscando asegurar la integridad no solo del aislamiento, sino también la del sistema como tal para así poder prevenir fallos que puedan comprometer la continuidad del suministro energético, problema que las empresas buscan evitar dadas las implicaciones económicas que esto conlleva. Este artículo se centra en explorar el ensayo de alta tensión en subestaciones GIS, los factores que pueden comprometer la integridad del aislamiento y la importancia de estas pruebas para la seguridad y la eficiencia operativa.
Importancia de las Pruebas de Alta Tensión en Subestaciones GIS
Las pruebas de alta tensión en subestaciones GIS son fundamentales para evaluar la capacidad de los materiales aislantes y de los componentes eléctricos para soportar tensiones elevadas sin sufrir daños o fallos. Estas pruebas permiten detectar defectos de fabricación o instalación, así como degradación del aislamiento que podría llevar a fallos en el sistema, cortes de energía no planeados y riesgos para la seguridad del personal. Además, para estas pruebas es crucial el cumplimiento de la norma internacional IEC 62271-203, que regula los procedimientos y los niveles de tensión para garantizar la seguridad y fiabilidad de las instalaciones eléctricas.
Factores que Afectan la Integridad del Aislamiento en una subestación del tipo GIS
La integridad del aislamiento en las subestaciones GIS puede verse comprometida por varios factores [2], estas incluyen:
- Protuberancias o Partículas Fijas: Imperfecciones en la superficie del material aislante o partículas metálicas incrustadas pueden provocar campos eléctricos localizados, lo que puede desencadenar efecto corona, descargas parciales y posteriores fallos dieléctricos.
- Partículas Móviles: Pequeñas partículas metálicas que se desplazan dentro del compartimento aislado en gas pueden causar arcos eléctricos, especialmente si entran en contacto o generen caminos reduciendo la distancia de aislamiento con los componentes que transmiten alta tensión.
- Intersticios en los Aisladores: Espacios vacíos o inclusiones en los aisladores de material sólido, estos pueden provocar acumulaciones de tensión que, a su vez, pueden llevar a descargas parciales o fallos del aislamiento.
- Material Particulado: Producto en los procesos de ensamble de componentes GIS, existe la posibilidad que pueda ingresar material del ambiente como: polvo, material metálico, productos químicos de ensamble y limpieza, estos pueden quedar alojados dentro de los compartimientos, generando fallas durante los ensayos (flashover) y a futuro durante la operación de los activos; la empresa EnerGISar S.A.S cumple con los más altos estándares y controles para prevenir el ingreso de estas sustancias y componentes.
- Transporte de los equipos: Durante el transporte, los equipos o compartimientos de gas SF6 pueden sufrir impactos que podrían afectar los componentes internos y el aislamiento de los mismos, perturbando así su desempeño. Por ello el transporte de los equipos de la subestación GIS y del gas SF6 debe de realizarse con las precauciones necesarias y recomendaciones del fabricante tanto para el almacenamiento y transporte como para los procesos de izaje; EnerGISar S.A.S cuenta con los equipos necesarios y especializados (trailers, grúas, máquinas de tratamiento y personal certificado), a su vez con una planeación asertiva desarrollada para respaldar y garantizar el buen estado de los componentes en todos los procesos necesarios previo y durante la ejecución de actividades.
- Daños durante la manipulación de los equipos: Fisuras en los soportes aislantes, contaminantes introducidos durante la manipulación de los componentes GIS, ingreso de materiales, herramientas, golpes en los equipos… estos pueden debilitar el aislamiento aumentando el riesgo a fallos eléctricos, además de la creación de tiempos muertos y retrasos en la ejecución de las actividades y entrega final del proyecto.
- Mal Contacto: Uniones deficientes entre componentes eléctricos, obedeciendo a varios factores, entre ellos: la no comprobación de las uniones atornilladas enviadas por fabrica, la no verificación paso a paso durante el ensamble de las uniones ejecutadas en sitio, la instalación de contactos no correspondientes a los diagramas o planos enviados por los fabricantes para el ensamble, entre otros factores, son causantes de fallos eléctricos y pueden afectar la integridad del aislamiento de los equipos. Por lo tanto, es muy importante seguir las instrucciones y criterios del fabricante, respaldar la información con las normatividades internacionales y como es el caso de la empresa EnerGISar S.A.S, ejecutar los procedimientos desarrollados desde el sistema de gestión (cumpliendo con las indicaciones de las tablas de torque entre piezas y materiales); la no inspección y no desarrollo de las anteriores recomendaciones puede causar sobrecalentamiento, arcos eléctricos, puntos calientes o de falso contacto, los cuales comprometen la integridad y funcionamiento de la subestación GIS, aumentando el riesgo de fallos durante la presencia de esfuerzos mecánicos, sísmicos y electrodinámicos, los cuales podrán ser encontrados durante el ensayo de resistencia de contactos y si los defectos son críticos podrían llegar a ser evidenciados durante la prueba de alta tensión (en algunos casos).
- Daño en la Integridad del sistema, por pérdida de presión / densidad de Gas aislante: La reducción de la presión o densidad del gas SF6 en los compartimentos de la GIS puede disminuir su capacidad aislante, elevando el riesgo de fallos dieléctricos, por ello son importantes las pruebas de estanquidad del sistema y la inspección del nivel y presión de gas SF6 en cada uno de los compartimientos, verificando la correcta operación de los densímetros y del nivel de gas SF6. Es transcendental revisar estos factores previo a la prueba de alta tensión y energización del sistema.
Tipos de Pruebas de Alta Tensión en Subestaciones GIS
Antes de la puesta en servicio de la subestación aislada en gas (GIS), es esencial realizar pruebas dieléctricas para verificar la integridad del aislamiento y detectar posibles irregularidades, como daños durante la manipulación, transporte, almacenamiento, instalación incorrecta, o la presencia de cuerpos extraños; factores que, como ya se nombraron anteriormente, afectan la calidad del mismo.
Existen diferentes alternativas para la ejecución de las pruebas de alta tensión en subestaciones GIS; de acuerdo al estándar IEC 62271-203, se tienen las siguientes:
- Prueba de Tensión Aplicada (AC) o “Short-duration power-frequency withstand tests”: Estas pruebas se realizan aplicando una tensión superior a la nominal del equipo o sistema utilizando un sistema resonante de alta tensión, incrementando gradualmente el voltaje hasta el nivel especificado. Esto asegura que el aislamiento pueda soportar sobretensiones sin fallos, garantizando una operación segura y confiable del GIS.
- Pruebas de tensión de impulso: Estas se dividen en 2:
- Impulso oscilante de rayo – Oscillating lightning impulse (OLI): Estas pruebas son útiles para detectar defectos en el aislamiento y configuraciones de campo anormales. Normalmente, estas pruebas deben ser ejecutadas cuando no se pueden ejecutar las pruebas de alta tensión en AC en conjunto con las descargas parciales.
- Impulso oscilante de conmutación – Oscillating switching impulse (OSI): Estas pruebas son útiles para detectar la presencia de contaminaciones en el sistema, así como configuraciones de campo anormales. Normalmente, estas pruebas deben ser ejecutadas cuando no se pueden ejecutar las pruebas de alta tensión en AC o la prueba de Impulso Oscilante de rayo.
- Prueba de Descargas Parciales (PD): Las descargas parciales son pequeñas liberaciones de energía eléctrica que ocurren en los puntos débiles del aislamiento sin atravesarlo completamente. La prueba de descargas parciales es crucial para detectar defectos menores que no se identificarían durante las pruebas de tensión aplicada, como partículas móviles, huecos en los aisladores, y defectos de fabricación. Estas pruebas permiten identificar no solo la presencia de defectos, sino también su tipo y ubicación, facilitando una intervención temprana y preventiva.
Habitualmente, la prueba de descargas parciales se desarrolla en conjunto con la prueba de tensión aplicada en AC, sin embargo, EnerGISar S.A.S publicará en próximos artículos información más detallada sobre la aplicación de esta prueba. Para información más precisa sobre las pruebas en alta tensión nombradas en este artículo, revisar el estándar IEC 62271-203 o la norma IEEE C37.122.
Conexiones para la prueba de Alta tensión
Para las pruebas de alta tensión existen diversas conexiones con la subestación GIS. Entre ellas se tienen las siguientes:
- Conexión por aire al bushing de la GIS.
- Conexión directa utilizando un GIB.
- Tensión inducida a través del secundario del VT de la subestación GIS.
Para ejemplificar la conexión física de las alternativas anteriormente mencionadas, ver Figura 1 , Figura 2 y Figura 3.
Figura 1.Conexión del equipo de prueba con el bushing de la fase de la subestación GIS bajo prueba.
Figura 2. Conexión del equipo de prueba en conexión directa a la barra principal (busbar) con comuntador de fases. Fase de la subestación GIS bajo prueba.
Figura 3. Conexión del equipo de prueba en conexión directa a transformador de potencial de poder (Power PT) Conexión del devanado secundario elevando tensión primaria, fase de la subestación GIS bajo prueba.
Prueba de tensión aplicada – Short-duration power-frequency withstand tests
Estas pruebas son especialmente sensibles para detectar contaminaciones (entre ellas partículas conductoras) y, en la mayoría de los casos, también son suficientes para detectar configuraciones dieléctricas anormales en el sistema. Normalmente, se utiliza un generador de corriente alterna resonante generalmente en rangos de frecuencia de 10 a 300 Hz según el estándar IEC 62271-203 o de 30 Hz a 300 Hz conforme a la norma IEEE C37.122.
Como representación circuital para este tipo de prueba se tiene como ejemplo la Figura 4 y la Figura 5.
- Figura 4: Ejemplo de circuito de frecuencia resonante para pruebas de alta tensión en sitio. Obtenida de [1].
- Figura 5: Conexión del equipo de prueba con el bushing de la fase de la subestación GIS bajo prueba. Obtenida de los procedimientos de la empresa EnerGISar S.A.S para pruebas eléctricas en S/E GIS.
En las Figura 4 y Figura 5 se observa a la subestación GIS como “Cp” o “F”, representada como un componente capacitivo en el circuito.
Hay que tener en cuenta que se debe cumplir con una distancia de seguridad en el momento del montaje del equipo resonante de alta tensión; las distancias se dan entre el reactor inductivo y el transformador de excitación, con la finalidad de que no exista descarga.
Tabla 1. Distancias de seguridad entre el reactor y el transformador de excitación
| Voltaje de prueba (kV) | 50 | 100 | 200 | 500 | 750 | 1000 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Distancia segura (m) | 1.2 | 1.5 | 3.0 | 5.5 | 7.5 | 12 |
Para calcular la frecuencia natural del sistema se tiene la siguiente ecuación:
Ecuación 1. Cálculo de la frecuencia natural del sistema
Donde “L” será la inductancia del reactor de alta tensión y “C” la capacitancia de la sección respectiva de la GIS.
La empresa EnerGISar S.A.S cuenta con un procedimiento especialmente dedicado para este tipo de pruebas, además de contar con personal calificado para la ejecución de la misma. El personal de la empresa no solo desarrolla los cálculos necesarios para la preparación de la prueba, sino que también realiza la conexión entre la GIS y el equipo de prueba (configuración topológica de la subestación a ensayar, definición de las secciones y número de pruebas necesarias indicando la ubicación del equipo resonante).
Niveles de Tensión para las pruebas de alta según la norma IEC 62271-203:2011
Para las pruebas de alta tensión, la tensión aplicada depende de la tensión nominal de la GIS a probar, para ello se tienen los siguientes niveles de tensión de acuerdo al estándar IEC 62271-203:2011.
Tabla 2. Niveles de Tensión para las pruebas de alta según la norma IEC 62271-203:2011
Recomendaciones y Tiempo de ejecución por prueba – IEC 62271-203
- Para tensiones nominales menores a 170kV: Procedimiento A
- Realizar la prueba de tensión aplicada con el sistema resonante con los valores especificados en la columna 2 de la Tabla 2 a un tiempo no mayor a 1 minuto para el valor Uds.
2. Para tensiones nominales mayores o iguales a 245 Kv: Procedimiento B
- Realizar la prueba de tensión aplicada con el sistema resonante con los valores especificados en la columna 2 de la Tabla 2 a un tiempo no mayor a 1 minuto en el valor Uds.
- En conjunto con la prueba de alta tensión, realizar las mediciones de descargas parciales.
3. Alternativa del procedimiento B para tensiones mayores o iguales a 245kV: Procedimiento C
- Realizar la prueba de tensión aplicada con el sistema resonante con los valores especificados en la columna 2 de la Tabla 2 a un tiempo no mayor a 1 minuto.
- En conjunto con esta prueba, realizar la prueba de on-sitelightning impulse withstand voltage representada en la columna 4 de la Tabla 2.
4. Procedimiento por ciclos para acondicionamiento en prueba de alta tensión
- Como se especificó con anterioridad, la prueba de alta tensión es una prueba donde la tensión aumenta gradualmente hasta el valor especificado por la Tabla 2. El aumento gradual o cíclico de la tensión se le conoce como acondicionamiento para la prueba de alta tensión.
Ejemplo para una subestación con tensión nominal de 145 kV:
- Acondicionamiento 1 valor de 100kV durante 15 minutos.
- Acondicionamiento 2 valor de 174 kV durante 3 minutos.
- Prueba alta tensión valor nominal de acuerdo a IEC 62271-203 será de 235kV durante un (1) minuto.
Gráficamente:
- Figura 6: Ciclo de la prueba de Alta Tensión con acondicionamiento.
Las recomendaciones anteriores según el estándar IEC 62271-203.
Criterio de aceptación
La prueba de tensión aplicada es una prueba pasa o no pasa, es decir, si hay una disrupción eléctrica durante el periodo del ensayo, se dará por no aceptada la prueba. Si el ensayista que está realizando la prueba considera realizar una nueva inyección deberá determinar el número de oportunidades permitidas para realizar nuevamente la inyección del circuito bajo objeto de prueba (hasta un número no mayor a 3 oportunidades). Esto debido a que si hay material particulado menor, este será desintegrado en la primera prueba. Si la falla continúa, el ensayista deberá detener el ensayo y revisar el compartimiento donde se escucha la descarga, debido a que la prueba deberá soportar la tensión de prueba durante el tiempo establecido por norma. En caso contrario, si la subestación GIS no presenta ninguna descarga, se dará por aceptado el ensayo y continuará la inyección en las fases siguientes.
Conclusión
Las pruebas de alta tensión y de descargas parciales son esenciales para garantizar la integridad del aislamiento en las subestaciones GIS. A través de estas pruebas, se pueden identificar defectos que podrían comprometer la seguridad y la eficiencia de la instalación, permitiendo una intervención temprana para evitar fallos costosos y peligrosos. EnerGISar S.A.S se dedica a realizar estas pruebas con los más altos estándares de calidad y seguridad, utilizando equipos avanzados y personal capacitado para asegurar el funcionamiento óptimo de las subestaciones GIS.
Si tiene dudas o está interesado en conocer un poco más sobre las pruebas eléctricas que realiza EnerGISar S.A.S en subestaciones GIS, no dude en contactarlos.
Referencias
[1] ABB. Power and Productivity for a Better World. ABB now Hitachi: SF6 Gas-insulated Switchgear High-voltage On-site Testing of GIS Type ELK. Documento de la empresa ABB.
[2] Dexotech Power. High Voltage Testing and Partial Discharge Measurements in Gas Insulated Switchgear (GIS). High Voltage Testing and Partial Discharge in GIS. Recuperado de https://dexotechpower.com/field-testing/gas-insulated-switchgear-gis-partial-discharge/. Consultado el 22 de agosto de 2024.
[3] International Electrotechnical Commission. (2011). IEC 62271-203: High-voltage switchgear and controlgear – Part 203: Gas-insulated metal-enclosed switchgear for rated voltages above 52 kV (Edición 2.0).