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byEditorial1agosto25http://constructorelectrico.com/diagnosticodegeneradoresdepotenciaatravesdelsistemaangel/

CientficosdelIIE,encolaboracinconlaCFE,instalaronunsistemademonitoreoenlneadenominado AnGeL, con el que se pretende avanzar de prcticas de mantenimientopreventivas a mtodos predictivos. Con ello, se pueden anticipar fallas o situacionesanormalesqueponganen riesgo la integridadde losgeneradores.La instalacindeestesistemaesunpasomshacialasredesinteligentes

Autores:RobertoCampuzano,H.OctaviodelaTorre,JaimeCarrilloCoronayEduardoReyesAguas

Fotografas:CortesadelIIE

La generacin elctrica es uno de los pilares del desarrollo sustentable de un pas. Lascompaas productoras de energa invierten considerables capitales para mantener laconfiabilidad y productividad de sus plantas, por lo que los programas demantenimientoaplicadosperidicamentesonesencialesparaconservarlaintegridaddelosequipos.Partedelnfasisenlosmantenimientosprogramadoseslaejecucindeevaluacionesmediantepruebasfueradeservicio,conelobjetivodeverificarelestadodelasmquinas.

Conlasinspeccionessehanlogradodetectarycorregiralgunosdefectossinembargo,sehan presentado fallas en los generadores en operacin, derivadas de mecanismos dedeterioro que no han podido detectarse con las inspecciones fuera de servicio. Lasprdidas econmicas por los periodos de reparacin y no generacin de energa sonconsiderables.

IgnacioRobertoCampuzanoMartnez,MaestroenCienciasH.Octaviode laTorreVega,MaestroenIngeniera,yelIngenieroJaimeCarrilloCorona,delInstitutodeInvestigacionesElctricas (IIE), en colaboracin con el Ingeniero Eduardo Reyes Aguas, Subgerente de

Equipo Primario de la Subdireccin de la Comisin Federal de Electricidad (CFE),publicaron el artculo: Diagnstico de generadores de potencia a travs del sistema demonitoreoenlneaAnGel,enelBoletnIIE,nmero1de2015.

LosprimerossistemasAnGeLseinstalaronenlascentralestermoelctricasdeManzanilloIy II, en un total de seis generadores de 350 megawatts (MW) a 20 kilovolts (kV)posteriormente,seinstalaronenlosgeneradoresdelascentralesPresidentePlutarcoElasCalles,FranciscoPrezRos,PresidenteAdolfoLpezMateosyCarbnII.Secontinuconlas centralesGeneralManuelMoreno Torres, CarlosRamrezUlloa, ngel AlbinoCorzo,VilladeReyes,RoEscondidoyLosAzufres.Alafechaexisten42generadoresequipadosconelsistemademonitoreoencentralestermoelctricas,hidroelctricasygeotrmicas.

En este artculo se presenta un resumen de los resultados obtenidos con el sistema demonitoreo en lnea. A fin de realizar una evaluacin integral, los resultados en lnea secomplementaron con los histeriales de prueba fuera de lnea, el mantenimiento y lascondiciones operativas de los equipos asimismo, se emitieron los diagnsticos y lasrecomendaciones de mantenimiento pertinentes, de acuerdo con el estado dielctrico yoperativodecadagenerador.

ParmetrosdelsistemaLos parmetros registrados con el generador en operacin son descargas parciales,corriente de neutro, corriente inducida en la flecha y flujo magntico del rotor. Para elregistro del nivel de descargas parciales se instalaron capacitores acopladores en cadauna de las fases del devanado del estator las corrientes del neutro y la flecha seadquierenmediante transformadoresdecorriente instaladosenelcircuitodebaja tensindel transformadordepuestaa tierraydirectamenteen laconexindelcabledepuestaatierra de la escobilla, respectivamente. Para el caso de generadores hidroelctricos, enlugarde labobinaexploradora,se instalanvariasbobinasdeunasolavuelta,distribuidasenelestator,enlascualeselvoltajeinducidosetraduceendistanciadelentrehierroentrelassuperficiesdelrotoryelestator.

CorrientedelneutroEn el neutro del generador, la forma de onda predominante del voltaje es de 180 Hertz(Hz) (tercera armnica), con cierto nivel de 60Hz (frecuencia fundamental) y, enmenorproporcin, frecuencias impares. Todos los generadores poseen una caracterstica nicaen su formadeondadel voltaje del neutro.Apartir de la caracterizacinde la formadeonda inicial se puede establecer un monitoreo, observando la tendencia y lastransformaciones en los armnicos de la seal a travs del tiempo. Los cambios,mecnicosoelctricos, traencomoconsecuenciaundesbalanceelectromagnticoquesevereflejadoenelcontenidoarmnico(THD)delassealesdevoltajeenelneutro.

Figura1.Armnicosdelacorrientedelneutroenalgunosgeneradores

La magnitud de la corriente de neutro de distintos generadores tiene diferenciassignificativas, inclusive con la misma potencia nominal. En la Figura 1 se grafican lamagnitudRMSylascomponentesde60Hzy180Hzdeungrupodegeneradoresconunacapacidad de 350MW. De tal manera, es posible notar la diferencia existente entre lasmagnitudes de la corriente del neutro de diferentes generadores instalados en distintascentrales.

Tambinsemuestraelcontenidoarmnicodelosvoltajesylascorrientesqueentreganala red los generadores TG2 de Tula y el TG5 de Tuxpan, los cuales tienen diferenciassignificativasenlamagnituddelacomponentedefrecuenciade180Hzenlacorrientedelneutro.

ElTHDdelascorrientesylosvoltajesdelosgeneradoressonsimilaresyestndentrodelos lmitespermisiblesquemarca laNormaIEEE519.Debeconcluirse,entonces,que lasmagnitudes de la corriente del neutro de los generadores de la central termoelctricaTuxpan se deben ms a las caractersticas inherentes al diseo que a un desbalanceelectromagntico por deficiencia en la construccin u operacin del generador. Lamagnituddelcomponentede60Hzdelacorrientedelneutroes,porssolo,unparmetroque brinda informacin del estado de la mquina. Los balances elctrico, magntico ymecnicodelgeneradorcontribuyenconlamagnituddetalcomponente.EnlaFigura2sepresentalamagnituddelacomponentede60HzdelacorrientedelneutroqueseregistraenalgunosgeneradoresqueestnequipadosconelSistemaAnGeL.

CorrientedeflechaSetratadeunparmetroquedependedelbalanceelectromagnticoymecnicodelgrupoturbinagenerador.La flecha,ensimilitudconelneutrodelcircuitoelctricodeldevanadodel estator, puede verse comoel neutromagntico del generador, donde se inducen losvoltajesy lascorrientesproductodeldesbalancede launidadgeneradoraadems,es lavadepuestaa tierradeotras seales inducidas, como lospulsosdealta frecuenciadelsistema de excitacin esttica, los voltajes inducidos por el magnetismo residual decomponentesydecargaselectrostticasgeneradasporlafriccindelabesconvaporenlaetapadebajapresinde la turbina.Laescobilladepuestaa tierra tiene la funcindedrenar a tierra todas estas seales inducidas y evitar la generacin de voltajes conmagnitudessuficientesparadaarlaschumaceras.

equipadosconelsistemaAnGeL

Figura2.Magnituddelacomponentede60HzenlacorrientedelneutrodealgunosdelosgeneradoresequipadosconelsistemaAnGeL

En la Figura 3 semuestran los valores registrados de la corriente de flecha de algunosgeneradoresde350MW.Enlaescobilladepuestaatierradelaflechadelgeneradordelaunidad 3 de la central termoelctrica Tuxpan se induca la mayor magnitud de voltaje,resultadoquecoincidaconelhechodequeeralamquinaconelmayorcomponentede60Hzen lacorrientedelneutro.Cualquiercambioenelcomponentepredominanteen laforma de onda de la corriente de flecha puede representar condiciones anormales deoperacin, desde un desbalance en el circuito electromagntico del generador, hasta lasimpledesconexinomalfuncionamientodelaescobilladepuestaatierra,generandouncambioenlafrecuenciapredominantedelacorrienteinducidaenlaflecha.

BobinaexploradoraPara detectar cortocircuitos en el rotor se utiliza la tcnica de la bobina exploradora.Unsensordecampomagnticose instalaen lacercanade losdevanadosdel rotor.Elgirodel rotor provoca que en el sensor o la bobina se induzca un potencial tangencialproporcionalalnmerodevueltasdelabobinayalacorrientequecirculaencadaunadeellas (NxI).Paraelcorrecto funcionamientoelectromagnticodelgenerador, lospolosdelrotorsediseanparaqueseanlomssimtricoposibleyasobtenerunvoltajegeneradolomscercanoaunaondasinusoidalde60Hzconelmenorcontenidodearmnicos.Deestaforma,elvoltajequeseinduceenlabobinaexploradoradebidoalpasodelabobina1delpolo1debeseridnticoalvoltajequeseinduceporelpasodelabobina1delpolo2.Elresultadodeestacomparacindevoltajesinducidosenlabobinaexploradoraparacadapardebobinaspolaresesel quesegraficaenel histogramadelSistemaAnGeLy se ledenominafactordesimilitudS1.

Siel flujo inducidoen labobinaexploradoranoeselmismo,esuna indicacindequelasbobinasdelospolosdelrotornosonsimtricas,quizsporuncortocircuitoentreespirasoa tierra. Entre mayor sea la diferencia de impedancia de las bobinas, mayor ser ladiferenciaenelflujomagnticoinducidoyconsecuentementemayorelfactordesimilitud.

En la Figura 4 se muestra el factor de similitud obtenido con las primeras bobinasexploradorasqueseinstalaronenlosgeneradoresequipadosconelSistemaAnGeL.

Con base en el anlisis de la comparacin de las seales adquiridas en variosgeneradores,sedecidiqueunfactordesimilitudconunamagnitudsuperiorde15podraserrepresentativodelapresenciadecortocircuitoentreespirasoatierra.Porestarazn,se recomend la revisin de los rotores con factores de similitud superior a 15, en estecaso,lasdosunidadesdelacentraltermoelctricaManzanilloIIenelordenqueaparecenen la grfica. La recomendacinde revisin sugiri la ejecucinde laspruebasestticastradicionalesylapruebadeimpedanciadinmicahastalavelocidadnominal.

Figura 3. Magnitud rms de la corriente de flecha de los generadoresequipadosconelsistemaAnGeL

Figura4.FactordesimilituddelosrotoresdelosgeneradoresequipadosconlabobinaexploradoradelsistemaAnGeL

DescargasparcialesLaactividaddedescargasparcialesenequipoelctricodepotenciaesevidenciadediseoomanufacturadeficiente,peroloestambindeenvejecimientootendenciadedeteriorodelosaislamientosdealtatensin.

Es importante aclarar que estos criterios aplican para pruebas fuera de lnea encondicionesambientalesdepresinytemperatura.Parapruebasenlneanoexisten,hastaahora, criterios de evaluacin sin embargo, con base en la experiencia adquirida y conreferencia a algunos criterios, como el establecido por el CRIEPI, en el Instituto se hanformulado algunos criterios para clasificar el estado de un aislamiento, considerando lascondicionesoperativasdelosgeneradores,porejemplo,eltipodelsistemadeenfriamientodelasbobinas.

DeacuerdoconloscriteriosestablecidosenelIIE,serecomendrevisarlosdevanadosafindedeterminarelorigendelaaltaactividaddedescargasparcialesenlosgeneradores,con un nivel superior de 30 nC. Se detectaron cuatro generadores con altos niveles dedescargas en tres de ellos se ha llevado a cabo el cambio del devanado del estator. ElTG1 y TG2 de la central termoelctrica Manzanillo I se devanaron en 2012 y 2015,respectivamente. El devanado del TG2 de la central termoelctrica Tula se cambi en2009.

Finalmente, los resultados iniciales sonproducto de los primeros pasoshacia el enfoquepredictivoquelaCFEquiereimplantarensuscentralesdegeneracin.Elseguimientodelcomportamientode lasvariablesyelanlisisa travsdel sistemademonitoreopermitirampliar los alcances y los beneficios por la aplicacin de acciones de mantenimientobasadosen los resultadosde laevaluacinen lnea.Esteesfuerzodebe traducirseenelestablecimientodeprogramasdeatencin,deacuerdoconelestadodecadagenerador,yobtener, as, un incremento en la confiabilidad y continuidad en servicio de losgeneradores. Al SistemaAnGeL puede incorporarse el registro de otras variables con elpropsitodeincrementarsucapacidaddediagnstico.

2014ConstructorElctrico.

El seguimiento del comportamiento de las variables y elanlisis a travs del sistema demonitoreo permitir ampliarlosalcancesylosbeneficiosporlaaplicacindeaccionesdemantenimiento