Identificación y localización de fallos en devanados de generadores síncronos mediante análisis e interpretación de su respuesta en frecuencia

Todas las personas que dedican su trabajo diario a los sistemas eléctricos conocen la importancia que tienen para el desarrollo industrial y económico de cualquier sociedad. Estos sistemas deben asegurar la continuidad y calidad del servicio, y para cumplir este objetivo, se componen de un conjunto innumerable de elementos entre los que se encuentran las máquinas eléctricas. Las máquinas eléctricas cumplen funciones imprescindibles en la cadena de suministro eléctrico. Las salidas de servicio intempestivas de estos elementos implican asumir elevados costos asociados a la indisponibilidad, sanciones y costos de reparación y reposición. Las diversas técnicas de seguimiento y diagnóstico son fundamentales para prevenir fallos, y de esta manera, asegurar el suministro. El Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA, por sus siglas en inglés) es un método de diagnóstico que se ha extendido masivamente en el ámbito industrial para el mantenimiento de transformadores de potencia. En la actualidad, su aplicación a máquinas rotativas sólo ha tenido unas pocas aplicaciones experimentales y aún se ve lejana la posibilidad de un marco normativo. Sin embargo, es un área que está siendo profusamente investigada y que tiene un potencial de desarrollo muy prometedor. La principal dificultad que tiene la aplicación de la técnica de FRA a máquinas rotativas es la escasez de experiencia y el desconocimiento que existe sobre los comportamientos esperables ante cada tipo de falta. A esto se suma la gran sensibilidad que tiene la prueba ante cambios geométricos, cualidad desfavorable frente a la gran variedad de tipos de máquinas rotativas existentes y a la posición del rotor durante el ensayo. Para animar a la industria a apostar por esta prueba dentro de sus planes de mantenimiento es necesario demostrar la capacidad que tiene para detectar distintos tipos de faltas, y presentar métodos de interpretación de resultados. En este Trabajo de Fin de Máster se desarrollaron tres métodos de interpretación de resultados de la prueba de FRA aplicables a máquinas rotativas. Para desarrollar estos métodos se utilizaron mediciones de un polo de un generador síncrono de 40 MVA perteneciente a una central hidroeléctrica. Este polo tiene la ventaja de que se puede acceder a sus devanados y se pueden generar distintas faltas de manera artificial. Los datos utilizados consistieron en: mediciones con el polo sin faltas, mediciones con faltas a tierra en distintas posiciones y distintas resistencias de falta, mediciones con faltas entre espiras en distintas posiciones y distintas resistencias de falta, y mediciones con el núcleo del polo aislado de tierra. El primer método de diagnóstico consistió en una inspección visual de las respuestas de FRA, que consisten en curvas trazadas sobre un diagrama de Bode. Este es el método más utilizado en transformadores, para los cuales existen muchas referencias normativas en la actualidad. Este método permitió obtener conclusiones sobre la detectabilidad de las faltas con distintas resistencias y tener un panorama inicial sobre su localización en la geometría del devanado. El segundo método consistió en ajustar las curvas de FRA del polo con respuestas en frecuencia de circuitos simples. Se utilizaron circuitos de tres parámetros por la ventaja que tienen de presentar los resultados en un esquema tridimensional. Este método permitió distinguir las faltas y su posición observando el desplazamiento de los parámetros ajustados en un espacio tridimensional que se denominó “Diagrama de fallos”. Por último, se desarrolló un método más complejo que consistió en un circuito de parámetros distribuidos. En este circuito se representaron las inductancias propias, inductancias mutuas, capacidades y resistencias de la máquina, y del instrumento de medición. Se implementó utilizando el entorno Simulink y se logró obtener una respuesta muy similar a la medición del polo en todo el espectro de frecuencias. Finalmente, se simularon distintos tipos de faltas, en posiciones del devanado y con valores de resistencias que no habrían podido medirse debido a las características físicas del polo. Para el desarrollo del trabajo en algunas instancias se utilizaron softwares comerciales como Excel, Simulink y MATLAB, y en otros casos fue necesario desarrollar software a medida, para lo que se utilizó la programación de diversas GUI (Graphical User Interfaces) de MATLAB. Las tareas realizadas durante el proyecto han permitido obtener resultados útiles para el diagnóstico. Se demostró que la prueba de FRA es capaz de detectar la presencia de una gran variedad de anomalías, entre las que se encuentran los cortocircuitos a tierra, los cortocircuitos entre espiras, los devanados abiertos y defectos en la conexión de tierra del núcleo magnético. Sin embargo, se evidenció que la prueba pierde muy rápidamente su capacidad de detectar defectos ante un aumento de la resistencia de falta. Este efecto fue más crítico para faltas entre espiras, donde resistencias de algunas unidades de ohm provocaron que los resultados sean iguales a los de la maquina sana. En faltas a tierra este mismo comportamiento se presentó al existir resistencias de falta mayores, del orden de centenas de ohm. Ambos valores están muy por debajo de la resistencia de aislamiento típica de una máquina (cientos de MΩ o GΩ). El desarrollo de los tres métodos permitió concluir que los diferentes tipos de faltas resultan en respuestas en frecuencia con características muy distintas entre sí, por lo que resulta muy fácil distinguir, por ejemplo, una falta a tierra de una falta entre espiras. Las características de cada tipo de falta se detallaron en los análisis de resultados al final de la especificación de cada método (secciones 4.4, 5.6 y 6.7). En cuanto a la ubicación de fallas en el devanado, se observó que las faltas a tierra pueden ser localizadas con una gran precisión utilizando el segundo método (ajuste con circuitos simples), mientras que los métodos restantes permitieron obtener solo una idea general de la región donde se podría encontrar el defecto (centro del bobinado o extremos). Por su parte, las faltas entre espiras resultaron muy difíciles de ubicar, sin embargo, sería útil realizar este análisis contando con una mayor cantidad de mediciones, para poder fundamentar de manera definitiva esta afirmación. Una característica interesante que se observó de las faltas entre espiras es que, si bien no resulta sencillo ubicar su posición, sí se puede conocer con facilidad la cantidad de espiras que se encuentran cortocircuitadas entre sí. Aunque el objetivo planteado para el proyecto se cumplió, a su vez surgieron nuevas ideas y variantes, las cuales fueron propuestas al final de trabajo (sección 7.2) como posibles líneas de investigación futuras.