¿Para qué sirve un banco de pruebas de impacto de rayos?

Sistema de prueba de impulso de rayo en plantas de fabricación de transformadores

El sistema de prueba de impulso de relámpago es una instalación central de prueba de alto voltaje en una fábrica de transformadores. Su función principal es simular y verificar la confiabilidad del sistema de aislamiento de un transformador cuando se somete a sobretensiones transitorias extremas, como las causadas por rayos, que puede encontrar durante la operación.

En términos simples, utiliza 'rayos artificiales' generados artificialmente para impactar el transformador antes de que salga de fábrica, probando si su aislamiento puede 'resistir' la prueba de un rayo real.

I. ¿Por qué es obligatoria esta prueba?

Los transformadores en la red enfrentan dos tipos principales de amenazas de sobretensión transitoria, que el sistema de prueba de impulso está diseñado para simular:

1. Impulso del rayo: cuando las líneas de transmisión son impactadas directa o indirectamente por un rayo, una onda de impulso de voltaje extremadamente alto y de corta duración (nivel de microsegundos) se propaga a lo largo de la línea hacia el transformador.

2. Impulso de conmutación: las operaciones dentro de una subestación, como la conmutación de un disyuntor o la eliminación de fallas, también pueden generar sobretensiones con una duración ligeramente mayor (nivel de milisegundos).

El valor máximo de estas tensiones de impulso puede ser varias veces o incluso más de diez veces la tensión nominal de funcionamiento del transformador. Si hay debilidades en el diseño o fabricación del aislamiento del transformador (entre devanados, de devanados a tierra o entre espiras), puede ocurrir una falla bajo tales impulsos. Esto podría dejar un defecto latente en el equipo incluso antes de que entre en servicio, lo que podría causar una falla total durante una tormenta.

Propósito principal: Identificar y eliminar de manera proactiva los defectos de aislamiento dentro de la fábrica, garantizando que el transformador pueda soportar sobretensiones de la naturaleza y de la red eléctrica durante sus décadas de vida útil. Es un punto de control de calidad crítico para garantizar la confiabilidad operativa a largo plazo.

II. ¿Cómo funciona el sistema de prueba de impulso de rayo?

Su funcionamiento se puede dividir en tres fases principales:

1. Fase de Almacenamiento de Energía: El sistema contiene una batería de condensadores de impulso de gran capacidad . Antes de la prueba, una fuente de alto voltaje de CC carga lentamente estos condensadores en cuestión de segundos, almacenando una inmensa energía (que puede alcanzar cientos de kilojulios).

2. Fase de liberación instantánea (simulando un 'relámpago'): cuando el voltaje del capacitor alcanza el valor preestablecido, un interruptor de disparo controlado por computadora (por ejemplo, un espacio entre esferas) se cierra en microsegundos. La energía almacenada se libera abruptamente a través de una red de inductores y resistencias formadoras de ondas , generando una onda de voltaje de impulso que cumple con los estándares internacionales (por ejemplo, IEC 60076-4), simulando una onda de impulso de rayo real.

3. Fase de aplicación y evaluación: esta onda de voltaje de impulso estandarizada se aplica al devanado designado del transformador bajo prueba (con otros devanados conectados a tierra). Al mismo tiempo, las sondas, divisores y grabadores digitales de alto voltaje capturan y registran con precisión la forma de onda de voltaje aplicada y la forma de onda de respuesta de corriente del transformador. Los ingenieros analizan si la forma de onda está distorsionada (por ejemplo, cortada, oscilante) para determinar la integridad del aislamiento.

III. Tipos de pruebas y criterios de aprobación

Se realizan dos pruebas estándar principales:

1. Prueba de resistencia al impulso total del rayo: se aplica una onda estándar de impulso completo del rayo (normalmente una onda de 1,2/50 µs , lo que significa un tiempo de frente de onda de 1,2 µs y un tiempo hasta la mitad del valor en la cola de 50 µs). Ésta es la prueba fundamental.

2. Prueba de resistencia al impulso de un rayo cortado: Simula una condición más severa: cuando un aislador cerca del transformador (por ejemplo, un casquillo) se enciende bajo un rayo, causando un colapso repentino de voltaje. La prueba implica cortar artificialmente la onda de voltaje aproximadamente 2-6 µs después del pico, probando la capacidad del aislamiento para soportar este cambio abrupto de voltaje.

Criterios clave de valoración de aprobado/reprobado (se requiere un estricto cumplimiento de los estándares):

• Método de comparación de formas de onda: este es el método más crítico. Primero, se registra una 'forma de onda de referencia' a un nivel de voltaje reducido (por ejemplo, 50%-75% del voltaje de impulso nominal). Luego, se aplican tres impulsos consecutivos de plena tensión. Las formas de onda de las pruebas de tensión total se superponen estrictamente y se comparan en una computadora con la forma de onda de referencia.

• Juicio de aprobación: si las formas de onda después de los impulsos de voltaje completo se superponen sustancialmente con la forma de onda de referencia en sus partes principales (frente de onda, cola de onda) sin distorsión significativa , se considera que el aislamiento ha pasado. Si la forma de onda muestra una oscilación, un cambio de amplitud o un corte evidentes , indica que es posible que se haya producido una descarga parcial o una rotura dentro del aislamiento, lo que requiere una inspección interna.

IV. La importancia del sistema en la fábrica

1. 'Guardián final' para la calidad: junto con la 'Prueba de resistencia al voltaje inducido', forma las dos líneas de defensa más estrictas para probar el rendimiento del aislamiento del transformador, que generalmente se realiza después de todas las pruebas de rutina.

2. 'Touchstone' para diseño y artesanía: los resultados de las pruebas verifican directamente si el diseño de la estructura de aislamiento del transformador, la selección de materiales y los procesos de fabricación (p. ej., estanqueidad del devanado, calidad de la envoltura de aislamiento) son excelentes.

3. Equipos de alto valor y altos requisitos: el sistema de prueba de impulso en sí es costoso, ocupa un espacio significativo y requiere técnicos altamente especializados y estrictos protocolos de seguridad para su operación y mantenimiento (debido a los voltajes y energías ultra altos involucrados).

4. Símbolo de calificación y capacidad: poseer una capacidad completa de prueba de impulsos es un indicador crucial de que una planta de fabricación de transformadores tiene la calificación y la destreza técnica para producir productos de clase de alto voltaje (generalmente 110 kV y superiores). También es una cualificación clave para conseguir pedidos de empresas de redes nacionales y proyectos a gran escala.

En resumen, el sistema de prueba de impulso de rayos actúa como el 'simulador de rayos' de la fábrica de transformadores y el 'centro de examen de la salud del aislamiento'. Garantiza, de la manera más estricta, que cada transformador que sale de la fábrica tenga un 'corazón fuerte' capaz de resistir los rayos naturales.