MEDICIÓN DE TIEMPOS Y MOVIMIENTO EN EL MANTENIMIENTO DE INTERRUPTORES DE POTENCIA (Parte I Conceptos Básicos) Simón Samán Sigler
La confiabilidad de los interruptores de potencia está esencialmente vinculada al diseño de estos equipos, por lo que directamente los convierte en una parte crucial en los sistemas eléctricos. Los fabricantes de interruptores están constantemente trabajando en nuevos desarrollos y mejoras en el diseño de interruptores con el objeto de mejorar la confiabilidad de interruptores y extender el tiempo de vida de estos. Sin embargo la importancia de un adecuado mantenimiento sigue siendo la cuestión de mayor discusión cuando se analiza el desempeño del interruptor, el costo del ciclo de vida, la confiabilidad y disponibilidad del servicio. Una prueba, muy difundida en la actualidad para el diagnóstico de la condición de los interruptores de potencia, es la medición de los tiempos de operación y de los parámetros de movimiento, como la velocidad, aceleración, amortiguamiento y desplazamiento de los mecanismos del interruptor. Esta prueba es comúnmente conocida como Medición de tiempos y Movimiento.
Historia En la conferencia Doble de 1938, el Sr. R.M. Seitz de la Compañía Cincinnati Gas and Electric, anuncio que él y su equipo asociado, habían dado a luz el
primer “Dispositivo de desplazamiento”. En su artículo dijo, que el medir sólo los tiempos de operación de un interruptor no era suficiente para poder hacer los ajustes mecánicos, ni era suficiente para saber donde se tenían que hacer estos ajustes. Este equipo de prueba se conoció como el “Analizador Cincinnati”.
Interruptor de potencia de soplo de aire
En la Conferencia Doble de 1979, los señores Rickley y Kopaczynski presentaron el Analizador de Interruptores Doble. Los autores expresaron su perplejidad que hasta el advenimiento de la era de la electrónica, el desarrollo de los
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analizadores de movimiento había estado parado hasta el nacimiento del TR-1 en 1972. El TR-1 se introdujo como el primer concepto moderno de un instrumento de medición de desplazamiento y tiempos de operación de interruptores. Claramente lo que se refiere con la era de la electrónica, había tomado aproximadamente veinticinco años. [1] Hoy en día se pueden encontrar en el mercado, analizadores de interruptores de diversas marcas y con prestaciones para diagnóstico que proporcionan abundante información.
¿Por qué movimiento?
medir
tiempos
intervención de personal de mantenimiento por más por ½ hora. Todas las otras fallas que puedan presentarse son consideradas fallas menores. [3] Los resultados de la segunda encuesta se pueden observar en los cuadros siguientes, donde el primero, muestra la distribución del origen de las fallas mayores y el segundo de las menores. 44 %
24.5 %
y
Encuestas realizadas en los años 1974 a 1977 por el Comité de estudio N°13 (Switching Equipment) de Cigre, que incluyen tecnologías de interruptores desde 63 kV y más y la segunda encuesta, la mas reciente, llevada a cabo en los años 1988 a 1991, determinaron que la mayoría de las fallas en los interruptores eran de origen mecánico. La segunda encuesta, encuentra una disminución de los problemas mecánicos atribuible a la reducción de las cámaras de interrupción y partes móviles, ofrecida por la tecnología de interruptores en gas SF-6. [2] La encuesta de confiabilidad llevada a cabo por Cigre, clasifica a los problemas detectados en los interruptores de potencia en fallas mayores y menores. Una falla mayor impide que el interruptor cumpla su función principal que es la de apertura (trip) o cierre (close) o requiere la
13.9 % 10.4 %
7.2 %
Macánica, en Macánica, en Eléctrica (en el mecanismo otras partes el circuito de operación del interruptor principal) de potencia
Eléctrica Ajustes en el (Circuitos sistema de auxiliares y gas SF-6 de control)
Distribución del origen de las fallas mayores según la 2da. encuesta internacional de Ci re
39.6 %
39.4 %
10.2 %
9.9 % 0.9 % Macánica en Macánica en Eléctrica ( en el mecanismo otras partes el circuito de operación del interruptor principal) de potencia
Eléctrica Ajustes en el (Circuitos sistema de auxiliares y gas SF-6 de control)
Distribución del origen de las fallas menores según la 2da. encuesta internacional de Ci re
Los cuadros anteriores concluyen que los estudios del grupo de trabajo de Cigre, encontraron que el mecanismo de operación en los interruptores de potencia, causan las más frecuentes fallas mayores y requiere mayor
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atención en el diagnóstico. Por lo tanto, orientando el diagnóstico a mantener la confiabilidad de diseño del equipo, es preciso atender dos aspectos vitales en el funcionamiento de un interruptor, estas son:
la tensión se eleva mucho en un contacto por lo que la tolerancia en la discrepancia de tiempos en la misma fase, para la mayoría de los interruptores, debe ser menor a 10 [ms]. [4]
1) Características de desplazamiento del mecanismo, que incluye la medición de tiempos de operación y velocidad y 2) Condiciones de carga del motor de accionamiento de muelles, donde se incluyen amortiguamiento de las energías desarrolladas en las operaciones de los interruptores.
En interruptores con una sola cámara de interrupción, la tolerancia de tiempo para la simultaneidad entre fases es mayor a los 20 [ms], para un sistema trifásico funcionando a 50 Hz, ya que siempre hay 6.67 [ms] entre pasos por ceros sucesivos. Aun así, la tolerancia se especifica en menos de ½ ciclo, incluso para tales sistemas.
De esta manera, la medición de tiempos y movimiento en el mantenimiento de interruptores de potencia se justifica de manera amplia.
¿Qué
debe
ensayarse?.-
La comprobación del funcionamiento de los interruptores se centra básicamente en efectuar las siguientes mediciones:
1.-
Medidas
de
tiempo.-
Los interruptores de potencia están clasificados, en lo que se refiere al tiempo de interrupción, en ciclos de la corriente, que van entre 5 a 3 ciclos (interruptores modernos han alcanzado 2 ciclos o menos), con el propósito de minimizar el daño causado por las corrientes de falla o sobretensiones. En efecto, si se trata de interruptores con más de una cámara de interrupción, la simultaneidad dentro de una misma fase es importante en situaciones donde un número determinado de contactos se conectan en serie. En este caso, el interruptor se convierte en un divisor de tensión cuando se abre un circuito. Si las diferencias de tiempo son muy grandes,
Los tiempos de cierre que son generalmente más largos que los de apertura, tienen una importancia relativamente menor, y pueden variar, dependiendo del tipo de interruptor, su mecanismo y del tamaño de las partes en movimiento, entre 6 a 16 ciclos. Durante la medición de tiempos también puede ser registrado el funcionamiento de los contactos auxiliares tipo “a” y “b” de un interruptor. Aunque no hay límites de tiempo generalizados para las relaciones de tiempos entre contactos principales y auxiliares, es importante entender y comprobar su funcionamiento. El propósito de un contacto auxiliar es cerrar y abrir el circuito de control y mando del interruptor. Tal circuito puede habilitar la bobina de cierre cuando un interruptor está a punto de realizar la operación de cierre y a continuación abrir el circuito, inmediatamente después de que comience la operación, evitando así que se queme la bobina. Figura 1.
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Los interruptores de potencia que son utilizados para la interrupción de las corrientes de falla de una línea, normalmente están preparados para efectuar una combinación de las operaciones básicas, estas combinaciones son conocidas como ciclos, por lo que surge la necesidad de medir:
Fig. 1 Circuito típico de control de un interruptor de otencia
El contacto “a” debe cerrarse bastante antes de que se cierre el contacto principal. El contacto “b” debe abrir cuando el mecanismo de operación haya liberado su energía almacenada para cerrar el interruptor. El fabricante de interruptores podrá proporcionar información detallada sobre este ciclo. Con el propósito de tener estandarizada la referencia de los tiempos de operación, la norma internacional IEC56 define los tiempos, para las operaciones básicas de apertura y cierre del interruptor, de la siguiente manera: Tiempo de cierre.- El intervalo de tiempo entre la energización del circuito de cierre, estando el interruptor en posición abierta, y el instante en que los contactos se tocan en todos los polos. Tiempo de apertura.- El tiempo de apertura es el intervalo de tiempo entre el instante de energización de la barra de apertura, estando el interruptor en posición cerrada, y el instante en que los contactos del arco se han separado en todos los polos.
Tiempo de apertura-cierre (O-C).- El intervalo de tiempo entre el instante cuando los contactos principales se han separado en todos los polos y cuando los contactos se tocan en el primer polo durante una operación de recierre. La medición de este tiempo es conocido como tiempo muerto (Dead time). Tiempo de cierre-apertura (C-O).- El intervalo de tiempo entre el instante cuando los contactos tocan el primer polo durante una operación de cierre y el instante cuando los contactos de arco se han separado en todos los polos durante la subsecuente operación de apertura. La medición de este tiempo es conocida como disparo libre (Trip Free).
2.- Intensidad de las bobinas.- De forma rutinaria pueden medirse las corrientes de las bobinas de cierre y apertura de los interruptores para detectar problemas mecánicos y/o eléctricos en las bobinas de operación antes de que emerjan como fallas reales. La corriente máxima de la bobina (si se permite que ésta alcance su valor más alto) es una función directa de la resistencia de la bobina y de la tensión de operación. Este ensayo indica si se ha cortocircuitado o no alguna espira.
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Cuando se aplica una tensión a una bobina, la curva de la intensidad muestra primero un tramo recto cuya velocidad de subida depende de las características eléctricas de la bobina y de la tensión de alimentación. Cuando la armadura de la bobina (que opera el gatillo de retención del mecanismo de operación) comienza a moverse, la relación eléctrica cambia (aumenta la reluctancia del núcleo de la bobina) haciendo que la corriente de la bobina decaiga. El valor pico inicial se relaciona con el valor de pico posterior, con menor valor, debido a la completa saturación de la bobina (intensidad máxima) y es esta relación la que da una indicación de la desviación hasta el mínimo valor de disparo. Si la bobina alcanza la corriente máxima antes de que la armadura y el gatillo de retensión comiencen a moverse, el interruptor no dispararía. Es importante tener en cuenta, sin embargo, que la relación entre los dos picos de intensidad varía, particularmente con la temperatura.
La distancia a través de la cual debe extinguirse el arco eléctrico en el interruptor, es normalmente llamada la zona de arco. A partir de la curva de desplazamiento puede calcularse una curva de velocidad o de aceleración que revele cambios marginales que pudieran haber ocurrido en la mecánica del interruptor. La velocidad de apertura se calcula como el promedio de la velocidad entre dos puntos de la curva de desplazamiento. El punto superior se puede ser definido: a) como la distancia debajo de la posición del interruptor cerrado o b) como la posición del contacto móvil en el instante de la apertura. Punto de separación del contacto. Figura 2. Apertura
Apertura
Distancia hacia la posicion de cierre
Distancia hacia el punto superior
Tiempo despues del punto superior
3.- Medida del Desplazamiento.- Un interruptor se diseña para interrumpir una corriente de corto circuito especificada. Esto requiere un funcionamiento a una velocidad dada, para crear una corriente de aire, aceite o gas SF-6 (según el tipo de interruptor) que permita la refrigeración adecuada del arco eléctrico para poder extinguir el arco en el siguiente paso por cero de la corriente, evitando así, la quema de los contactos. Es importante interrumpir la corriente eléctrica de forma que el arco no vuelva a aparecer antes de que el contacto principal del interruptor haya entrado en la zona llamada de amortiguación.
Fig. 2 Puntos de cálculo de la velocidad de apertura
El punto inferior es determinado basado en el punto superior. Puede ser una distancia debajo del punto superior o un tiempo antes del punto superior. El tiempo que transcurre entre estos dos puntos va de 10 a 20 [ms], lo que corresponde a 1 a 2 pasos por cero de la corriente. La velocidad de cierre se calcula como el promedio de la velocidad entre dos
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puntos de la curva de desplazamiento. El punto superior se puede ser definido: a) como la distancia debajo de de la posición del interruptor cerrado o b) como la posición del contacto móvil en el instante del cierre. Punto de contacto. Figura 3. Cierre
Distancia hacia la posición estable de cierre del interruptor
Cierre
Distancia hacia el punto superior
Tiempo antes del punto superior
Fig. 3 Puntos de cálculo de la velocidad de cierre
puede basarse en el tiempo que transcurre, entre dos puntos, hasta que el contacto móvil llegue a estabilizarse por encima de la posición estable de apertura del interruptor. (Ver Figura 4).
Significado de los parámetros que se registran para el diagnóstico de interruptores.- Los parámetros que se registran durante las mediciones en el ensayo de interruptores y que son utilizados para efectuar el diagnóstico de la condición de un interruptor son comprendidos con el análisis de la curva de desplazamiento que se traza durante la prueba. Figura 4. La interpretación y cálculo de cada uno de los parámetros se da a continuación:
El punto inferior es determinado basado en el punto superior. Puede ser una distancia debajo del punto superior o un tiempo antes del punto superior. Este tiempo también puede adoptarse a 10 [ms].
Se calcula como la diferencia más grande entre las tres fases de los contactos principales.
4.- Amortiguamiento.- Este es un
parámetro importante para los mecanismos de operación de alta energía utilizados para abrir y cerrar interruptores.
Si el dispositivo de amortiguación no funciona correctamente, las potentes fuerzas mecánicas que tienen lugar durante las operaciones del interruptor pueden acortar la vida de servicio de éste, y/o causar serios daños a los contactos en el momento de enchufarse o al producirse rebotes. La amortiguación de las operaciones de apertura es normalmente medida como una segunda velocidad, pero también
Diferencia entre fases.- Es la diferencia en tiempos del polo más rápido y el más lento, tanto en el cierre como en la apertura.
Pico de corriente.- El valor máximo de la corriente de las bobinas de cierre o apertura. Penetración de contactos principales.- Distancia medida en la operación de cierre, entre el punto donde se tocan los contactos y la posición final de reposo del contacto móvil. Durante la operación de cierre, la penetración de contactos es calculada como la diferencia en recorrido desde el instante en el que el primer contacto toca al contacto fijo y a la posición estable de interruptor cerrado.
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Recorrido
CIERRE
APERTURA
Sobrerecorrido Penetración
Rebote
Posición estable cerrado
Toque de los contactos
e k o r t S
Sobrerecorrido Rebote
Posición estable abierto Tiempo
Fig. 4 Curva que describe los parámetros calculados durante el ensayo de movimiento de interruptores
Durante la operación de apertura, la penetración de contactos es calculada como la diferencia en el recorrido desde la posición estable de interruptor cerrado y al instante en el que el último contacto principal se separa.
Distancia Sobrerecorrido.recorrida por la varilla de accionamiento desde su posición máxima de desplazamiento, más allá de su punto de reposo.
Recorrido (Stroke).- Distancia recorrida entre dos puntos de reposo.
Durante la operación de cierre, el sobrerecorrido es calculado como la diferencia de recorrido desde la posición estable de cerrado y la posición más grande que ha sido medida.
El recorrido del contacto móvil, es una información que se la obtiene del fabricante del interruptor. Resulta valioso disponer de este dato al momento de efectuar las pruebas de tiempo y movimiento.
Durante la operación de apertura, el sobrerecorrido (o bajorecorrido), es calculado como la diferencia de carrera desde la posición estable de abierto y la posición más baja que ha sido medida.
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Durante la operación de cierre, el rebote es calculado como la diferencia de recorrido entre la posición más baja medida, que ocurre inmediatamente después del sobrerecorrido y la posición estable de interruptor cerrado. Durante la operación de apertura, el rebote es calculado como la diferencia de recorrido entre la posición más alta medida, que ocurre inmediatamente después del sobrerecorrido y la posición estable de interruptor abierto.
de propio y marquen la tendencia de la condición del interruptor. Posteriormente, antes de un año (o del fin de la garantía de fábrica), se recomienda un segundo ensayo.
Rebotes.- Distancia entre el punto de recorrido máximo en la dirección opuesta a la dirección de operación, hasta la posición final de reposo.
Velocidad.- Este valor muestra la velocidad promedio entre dos puntos diferentes de cálculo.
A menudo es común que no se disponga de información inicial en interruptores antiguos, por lo que la recomendación general de mucha ayuda es comparar los resultados obtenidos, con unidades similares en operación. Los motivos que impulsan a efectuar esta prueba son normalmente:
Frecuencia de las pruebas.- Son muchos los factores que determinar la frecuencia de las pruebas de tiempos y movimiento de los interruptores de potencia, sin embargo, las recomendaciones más difundidas establecen que: En interruptores nuevos es importante efectuar este ensayo durante el comisionamiento de puesta en servicio del interruptor, con el fin de tener el primer registro de los parámetros que permitirán comparar con los efectuados por el fabricante y con los que sean obtenidos en futuros mantenimientos por el personal
En interruptores antiguos y en operación por más de un año, las pruebas deben ser efectuadas cada tres años.
Número de efectuadas.
operaciones
Operaciones efectuadas en condiciones de corto circuito. Tipo de operación. Experiencias determinados interruptores.
mecanismo
de
propias tipos
con de
Recomendaciones por el fabricante.
efectuadas
Importancia de la posición del interruptor en el sistema eléctrico. Vejez del interruptor.
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Condiciones ambientales (humedad, temperatura, ambiente corrosivo o con excesiva polución).
Conclusiones: La confiabilidad de un interruptor de potencia, es una característica inherente al diseño del equipo. El mantenimiento, sólo contribuye a conservar el grado de confiabilidad de diseño. Está ampliamente demostrado que el mayor porcentaje de fallas, en los interruptores de potencia, tienen su origen en los dispositivos mecánicos de estos. La medición de los tiempos de operación y de los parámetros de movimiento de un interruptor de potencia, constituyen una herramienta valiosa en el diagnóstico de la condición de operación de los interruptores.
para establecer el criterio de la frecuencia de pruebas y el motivo de hacerlas. Sin embargo llevar registro de la tendencia de la condición del interruptor, puede contribuir a tomar las decisiones correctas en el momento oportuno.
Referencias: [1] Circuit Breaker Machanism Anomalies Found by Motion Analyses; Jean- Guy Wasfy. Doble Engineering Company [2] The ABB Condition Monitoring Unit for high Voltage SF-6 Circuit Breaker. Richard A. York, Aftab H. Khan. [3] Final Report of the Second International Enquiry on High Voltage Circuit-Breaker Failures and Defects in Service. CIGRE WG 13.06. [4] Circuit Breaker Testing Compendium. Programma Electric. [5] TM 1600/EGIL User Manual
El conocimiento de los diversos tipos de interruptores por parte del personal de mantenimiento resulta determinante
Simón Samán Sigler Ingeniero Mecánico Electricista, titulado en la Universidad Nacional de Córdoba República Argentina. Actualmente es Jefe del Departamento de Subestaciones y Líneas de Transmisión en Electropaz. Fue Jefe de la Sección de Construcción y Mantenimiento de Subestaciones y Líneas de Transmisión en Electropaz. Miembro del IEEE y del CIGRE, sus áreas de interés son: mantenimiento de equipos eléctricos de alta tensión, pruebas de campo y diagnóstico de equipos de al ta tensión.
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