pruebas de envejecimiento acelerado (por tensión y temperatura) a aislamiento eléctrico solido

1. UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ANÁLISIS DEL DETERIORO CAUSADO POR SOLICITACIONES DE
TENSIÓN Y CORRIENTE AL SISTEMA DIELÉCTRICO DE LOS
ENCHUFES MINEROS 3M DE CLASE 25 kV y 500 A
William Andrés Yévenes Contreras
MEMORIA DE TITULACIÓN PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA
Mayo 2022

2. 2
Estructura de la presentación
Problemática
Objetivos de la memoria de título
Metodología
Resultados & Análisis
Conclusiones

3. Planteamiento del problema
3

4. 4
Planteamiento del problema

5. 5
Planteamiento del problema

6. 6
Planteamiento del problema

7. 7
Planteamiento del problema
3
12
4
41
17
30
Mufa unión
Vulcanizada
Mufa
Termocontraible
Cable Piloto Enchufes Chaquetas Aislación Exterior
Lugar de falla del conjunto cable/enchufe minero
10
43
10
4 5
20
2
5
0
3
9
0
Causas de falla del conjunto cable/enchufe minero
Nota: La información mostrada se basa en 78 informes, elaborados entre los meses de abril-mayo-junio
del año 2021, provenientes de un taller de reparación del conjunto cable/enchufe minero.

8. Objetivos del trabajo
8

9. Objetivo General
Evaluar el deterioro causado por solicitaciones de tensión y corriente al aislamiento eléctrico de poliamida utilizado en el enchufe minero de
clase 25 kV y 500 A de 3M Chile (Probeta), mediante ensayos de laboratorio que envejezcan al aislamiento y mediante mediciones de parámetros
dieléctricos que permitan identificar y cuantificar su estado.
Objetivos específicos
1. Determinar los parámetros que permitan cuantificar el deterioro dieléctrico de la probeta.
2. Diseñar procedimiento para la medición de los parámetros en laboratorio.
3. Diseñar procedimientos de ensayos de sobretensión y/o sobrecorriente que deteriore de forma progresiva la probeta.
4. Diseñar un procedimiento que permita ensayar la probeta mediante la técnica FRA (Frequency Response Analysis).
5. Establecer criterios y/o recomendaciones en base a los resultados del presente trabajo, para el diagnóstico de probetas instaladas en terreno.
9
Objetivos

10. Metodología
10

11. 11
Metodología

12. 12
Metodología
Pruebas de envejecimiento
acelerado en la probeta

13. 13
Metodología

14. 14
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo térmico
20000 horas = 2 años y 3 meses

15. 15
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo eléctrico
Aplicación de un tren de impulsos tipo maniobra de
polaridad negativa, de amplitud 75 kV, cada 5 minutos
durante 3 horas.

16. 16
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo eléctrico

17. 17
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo eléctrico
Parámetros de diagnóstico
 Factor de disipación
 Capacitancia
 Descargas parciales
 Resistencia de aislamiento
 Índice de polarización

18. Resultados
18

19. 19
Resultados

20. 20
Resultados
Análisis: Resistencia de Aislamiento (Ra)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500
Resistencia
de
ailamiento
[GΩ]
Tiempo de horneado [horas]
Resistencia de aislamiento (Ra) de las probetas B1 y B2 versus tiempo
envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta B1 (136°C) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de impulso

21. 21
Resultados
Análisis: Resistencia de Aislamiento (Ra)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500
Resistencia
de
ailamiento
[GΩ]
Tiempo de horneado [horas]
Resistencia de aislamiento (Ra) de las probetas B1 y B2 versus
tiempo envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta B1 (136°C) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de

22. 22
Resultados
Análisis: Resistencia de Aislamiento (Ra)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500
Resistencia
de
ailamiento
[GΩ]
Tiempo de horneado [horas]
Resistencia de aislamiento (Ra) de las probetas A1 y A2 versus tiempo
envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A1 (90°C) Probeta A2 (90°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de impulso

23. 23
Resultados
Análisis: Resistencia de Aislamiento (Ra)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500
Resistencia
de
ailamiento
[GΩ]
Tiempo de horneado [horas]
Resistencia de aislamiento (Ra) de las probetas A1 y B1 versus tiempo
envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A1 (90°C) Probeta B1 (136°C)

24. 24
Resultados
Análisis: Resistencia de Aislamiento (Ra)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500
Resistencia
de
ailamiento
[GΩ]
Tiempo de horneado [horas]
Resistencia de aislamiento (Ra) de las probetas A1, A2, B1 y B2 versus
tiempo envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A1 (90°C) Probeta A2 (90°C + Impulsos) Probeta B1 (136°C) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de
515 → 480 [𝐺Ω]

25. 25
Resultados
Análisis: índice de Polarización (IP)
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
0 100 200 300 400 500
índice
de
polarización
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Índice de Polarización (IP) de las probetas A1, A2, B1 y B2 versus
tiempo envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A1 (90°C) Probeta A2 (90°C + Impulsos) Probeta B1 (136°C) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de
impulso
1.18 → 1.07 [-]

26. 26
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas (136°C versus 90°C)
3.1% → 3.8%
3.2% → 3.9%
3.3% → 3.6%
3.4% → 3.8%
0 [hrs] → 400 [hrs] + impulsos
0 [hrs] → 400 [hrs] + impulsos
0 [hrs] → 400 [hrs]
0 [hrs] → 400 [hrs]

27. 27
Resultados
Análisis: Descargas Parciales (136°C versus 90°C)
2000 ± 200 [pC]

28. 28
Resultados
Análisis: Capacitancia (C)
30
30.5
31
31.5
32
32.5
33
0 100 200 300 400 500
Capacitancia
[pF]
Tiempo de horneado [horas]
Capacitancia (C) de las Probetas A1, A2, B1 y B2 a tensión
nominal
Probeta A1 (90°C)
Probeta A2 (90°C + Impulsos)
Probeta B1 (136°C)
Probeta B2 (136°C + Impulsos)
entre 31.38 y 31.81 [pF]

29. 29
Resultados
Análisis: Respuesta en frecuencia (FRA)

30. 30
Resultados
Análisis: Respuesta en frecuencia (FRA)

31. 31
Resultados
Análisis: Respuesta en frecuencia (FRA)

32. 32
Resultados
Análisis: Respuesta en frecuencia (FRA)

33. Conclusiones
33

34. Gracias
34

35. 35
Conclusiones
Anexos

36. 36
Planteamiento del problema

37. 37
Metodología
Térmico
Eléctrico
Ambiental
Mecánico
Agente externo Tipo de degradación
Luz solar Fotodegradación
Calor Degradación térmica
Agentes atmosféricos Degradación oxidativa
Humedad Degradación hidrolítica
Hongos y microorganismos Biodegradación
Luz + oxígeno Fotodegradación oxidativa
Calor + oxígeno Degradación termoxidativa
Luz + humedad Degradación fotohidrolítica
Luz + calor + humedad +
hongos + oxígeno + alta
tensión + golpes + etc.
Degradación en el mundo real

38. 38
Metodología
Térmico
Eléctrico
Ambiental
Mecánico
Algunas consecuencias de los esfuerzos TEAM en
los materiales son:
• Frágilidad
• Pérdida del color original (tonos opacos y/o
amarillentos)
• Aparición de grietas
• Hinchazón

39. 39
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo térmico

40. 40
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo térmico
Fuente: IEEE Std 98, «IEEE Standard for the Preparation
of Test Procedures for the Thermal Evaluation of Solid
Electrical Insulating Materials,» The Institute of Electrical
and Electronics Engineers, USA, 2016.

41. 41
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo térmico
Fuente: IEEE Std 98, «IEEE Standard for the Preparation of Test Procedures for the Thermal Evaluation of
Solid Electrical Insulating Materials,» The Institute of Electrical and Electronics Engineers, USA, 2016.

42. 42
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo térmico
TI: 128,5°C

43. 43
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo eléctrico
Como información relevante, del documento Mine Power Systems
se extrae:
Las operaciones de conmutación representan la mayor parte de los fenómenos
transitorios en los sistemas de energía de las minas y, salvo los golpes directos
de los rayos, los transitorios más destructivos de los sistemas de energía son
iniciados por esta fuente. Cada vez que se acciona un interruptor, puede
producirse un transitorio, que puede clasificarse en dos tipos: normal y
anormal. Los transitorios de tensión y corriente normales se consideran una
característica del funcionamiento correcto, y su resultado máximo es una
tensión o corriente transitoria no mayor (pero normalmente menor) que dos
veces la tensión o corriente de estado estacionario máxima del sistema. Los
transitorios que superan este nivel se denominan anormales y son el resultado
de un mal funcionamiento o diseño incorrecto de los componentes.

44. 44
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo eléctrico
25 ⋅ 2 = 35,36 𝑘𝑉𝑝𝑒𝑎𝑘 35,36 ⋅ 2 = 70,72 𝑘𝑉𝑝𝑒𝑎𝑘
Aplicación de un tren de impulsos tipo maniobra de
polaridad negativa, de amplitud 75 kV, cada 5 minutos
durante 3 horas.
norma IEC 60071-1 Insulation co-ordination

45. 45
Metodología
Envejecimiento ante solicitación de esfuerzo eléctrico

46. 46
Resultados
Análisis: Resistencia de Aislamiento (Ra)

47. 47
Resultados
Análisis: Resistencia de Aislamiento (Ra)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 100 200 300 400 500
Resistencia
de
ailamiento
[GΩ]
Tiempo de horneado [horas]
Resistencia de aislamiento (Ra) de las probetas A2 y B2 versus tiempo
envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A2 (90°C + Impulsos) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de impulso

48. 48
Resultados
Análisis: índice de Polarización (IP)
𝐷𝐴𝑅 =
𝑅𝑎(𝑡=60)
𝑅𝑎(𝑡=30)
, 𝑐𝑜𝑛 𝑡 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
𝐼𝑃 =
𝑅𝑎(𝑡 = 10)
𝑅𝑎(𝑡 = 1)
, 𝑐𝑜𝑛 𝑡 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
0 100 200 300 400 500
índice
de
polarización
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Índice de Polarización (IP) de las probetas A1, A2, B1 y B2 versus
tiempo envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A1 (90°C) Probeta A2 (90°C + Impulsos) Probeta B1 (136°C) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de
impulso
1.18 → 1.07 [-]
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Corriente
[𝜇𝐴]
Tiempo [min]
Corriente a través de un material dieléctrico
Corriente total

49. 49
Resultados
Análisis: índice de Polarización (IP)
𝐷𝐴𝑅 =
𝑅𝑎(𝑡=60)
𝑅𝑎(𝑡=30)
, 𝑐𝑜𝑛 𝑡 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
𝐼𝑃 =
𝑅𝑎(𝑡 = 10)
𝑅𝑎(𝑡 = 1)
, 𝑐𝑜𝑛 𝑡 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
0 100 200 300 400 500
índice
de
polarización
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Índice de Polarización (IP) de las probetas A1, A2, B1 y B2 versus
tiempo envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A1 (90°C) Probeta A2 (90°C + Impulsos) Probeta B1 (136°C) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de
impulso
1.18 → 1.07 [-]

50. 50
Resultados
Análisis: índice de Polarización (IP)
𝐷𝐴𝑅 =
𝑅𝑎(𝑡=60)
𝑅𝑎(𝑡=30)
, 𝑐𝑜𝑛 𝑡 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
𝐼𝑃 =
𝑅𝑎(𝑡 = 10)
𝑅𝑎(𝑡 = 1)
, 𝑐𝑜𝑛 𝑡 𝑒𝑛 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
0 100 200 300 400 500
índice
de
polarización
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Índice de Polarización (IP) de las probetas A1, A2, B1 y B2 versus
tiempo envejecido por temperatura e impulsos de tensión.
Probeta A1 (90°C) Probeta A2 (90°C + Impulsos) Probeta B1 (136°C) Probeta B2 (136°C + Impulsos)
Lectura de Ra después del ensayo de
impulso
1.18 → 1.07 [-]

51. 51
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas y Descargas Parciales

52. 52
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas y Descargas Parciales

53. 53
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas y Descargas Parciales

54. 54
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas y Descargas Parciales

55. 55
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas y Descargas Parciales
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 20 40 60 80 100 120
Factor
de
pérdidas
[-]
V aplicado/V nominal [%]
Factor de pérdidas (tan δ) de la probeta A2 en función del tiempo
envejecido por temperatura
subida (400 horas)
bajada (400 horas)
0
500
1000
1500
2000
2500
0 20 40 60 80 100 120
Descargas
parciales
[pC]
V aplicado/V nominal [%]
Descargas parciales (DP) de la probeta A2 en función del tiempo
envejecido por temperatura
subida (400 horas)
bajada (400 horas)

56. 56
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas y Descargas Parciales
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 20 40 60 80 100 120
Factor
de
pérdidas
[-]
V aplicado/V nominal [%]
Factor de pérdidas (tan δ) de la probeta A2 en función del tiempo
envejecido por temperatura
subida (0 horas)
bajada (0 horas)
subida (100 horas)
bajada (100 horas)
subida (200 horas)
bajada (200 horas)
subida (300 horas)
bajada (300 horas)
subida (400 horas)
bajada (400 horas)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0 20 40 60 80 100 120
Descargas
parciales
[pC]
V aplicado/V nominal [%]
Descargas parciales (DP) de la probeta A2 en función del tiempo
envejecido por temperatura
subida (0 horas)
bajada (0 horas)
subida (100 horas)
bajada (100 horas)
subida (200 horas)
bajada (200 horas)
subida (300 horas)
bajada (300 horas)
subida (400 horas)
bajada (400 horas)

57. 57
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 100 200 300 400 500
Factor
de
pérdidas
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Factor de pérdidas (tan δ) de las Probetas A1 y B1 a tensión
nominal
Probeta A1 (90°C)
Probeta B1 (136°C)
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 100 200 300 400 500
Factor
de
pérdidas
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Factor de pérdidas (tan δ) de las Probetas A2 y B2 a tensión
nominal
Probeta A2 (90°C + Impulsos)
Probeta B2 (136°C + Impulsos)

58. 58
Resultados
Análisis: Factor de pérdidas
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 100 200 300 400 500
Factor
de
pérdidas
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Factor de pérdidas (tan δ) de la Probeta B1 y B2 a tensión
nominal
Probeta B1 (136°C)
Probeta B2 (136°C + Impulsos)
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0 100 200 300 400 500
Factor
de
pérdidas
[-]
Tiempo de horneado [horas]
Factor de pérdidas (tan δ) de la Probeta A1 y A2 a tensión
nominal
Probeta A1 (90°C)
Probeta A2 (90°C + Impulsos)

59. 59
Resultados
Análisis: Respuesta en frecuencia (FRA)

60. 60
Para Juanito (por si me lo pregunta)
https://www.herramientasingenieria.com/onlinecalc/spa/altitud/altitud.html