Resumen de Modelado y simulación de descargas parciales internas, arborescencias eléctricas y vida útil de dieléctricos poliméricos sólidos utilizados en activos eléctricos
Las sociedades modernas dependen altamente de un suministro confiable de energía eléctrica, lo que implica que los equipos y sistemas que se utilizan en la cadena de generación, transporte y suministro deben mantenerse operando de manera continua, evitando salidas inesperadas o no programadas. Ningún equipo o sistema está libre de averías o faltas que pueden ser generadas por ausencia de mantenimiento, uso inadecuado o problemas de fabricación, entre otros. Es claro que, si se desea garantizar la operación confiable y segura de un equipo eléctrico, inherentemente deberá verificarse el funcionamiento adecuado de su sistema de aislamiento eléctrico y, además, en caso de detectarse la existencia de fallos en éste, dicha detección deberá hacerse en una etapa temprana de la falta, de manera que se puedan planear de manera anticipada las acciones correctivas y que los costos asociados a las reparaciones y pérdida del suministro eléctrico se puedan reducir.
En dieléctricos poliméricos sólidos las Descargas Parciales (DP) en cavidades en el interior de aquellos representan el mecanismo de degradación dominante, induciendo la aparición de arborescencias eléctricas que se propagan rápidamente a través del dieléctrico sólido desde la superficie de las cavidades hasta que se produce la falta total del aislamiento eléctrico. Debido a este hecho, las mediciones de DP en los sistemas de aislamiento de activos eléctricos brindan una información muy valiosa acerca del estado de envejecimiento y, como se propone en esta tesis, pueden usarse para estimar la vida útil remanente en conjunto con resultados de simulación.
Esta tesis doctoral es resultado de una investigación basada en modelamiento y simulación en busca de comprender y aportar al conocimiento acerca de los diferentes procesos físicos relacionados con los fenómenos de DP en cavidades en el interior de dieléctricos poliméricos sólidos y como ésta actividad de DP en cavidades degrada el material dieléctrico hasta ocasionar la ruptura del sistema de aislamiento. En esta tesis se revisan y discuten los diferentes modelos que permiten la simulación de DP internas, de la propagación de arborescencias eléctricas y la estimación de la vida útil remanente en dieléctricos sólidos poliméricos. A partir del estudio y análisis teórico de los fenómenos y de los modelos existentes, se proponen varios modelos novedosos que permiten mejorar la precisión de las simulaciones, considerar las características multifísicas de los fenómenos estudiados y características de no homogeneidad de los materiales dieléctricos.
Entre los modelos propuestos para simular DP en cavidades y arborescencias en el interior de dieléctricos sólidos se tienen: 1. Un modelo analítico mejorado 2. Un novedoso modelo analítico multifísico 3. Un modelo de tres condensadores mejorado 4. Un novedoso modelo electrostático de elementos finitos 5. Un nuevo modelo híbrido de elementos finitos 6. Un modelo determinístico mejorado para la simulación de DP en arborescencias eléctricas 7. Un novedoso modelo estocástico para la simulación de DP en arborescencias eléctricas 8. Un modelo físico mejorado para la simulación de propagación de arborescencias eléctricas en sólidos dieléctricos poliméricos Los modelos fueron validados mediante comparación entre resultados de simulación y mediciones experimentales reportadas por otros autores. Adicionalmente, el análisis de los resultados de simulación de diferentes casos de estudio ha permitido obtener conclusiones acerca de los procesos y mecanismos de degradación inducida por las DP en cavidades y arborescencias en el interior de dieléctricos sólidos, discutir la validez y pertinencia de parámetros de medios y variables definidas en modelos previos y proponer hipótesis adicionales acerca del efecto de los materiales compuestos en la propagación de arborescencias y la relación entre la energía disipada por las DP en las arborescencias y la tasa y dirección de propagación. La verificación de estas últimas hipótesis requerirá de comprobación experimental que se realizará en el futuro, en el marco de un proyecto internacional con financiación pública y privada.
De igual manera, se propone una novedosa metodología que permite estimar la degradación inducida por la actividad de DP en cavidades en el interior de dieléctricos sólidos poliméricos y calcular la vida útil remanente a partir de resultados de simulación, considerando las interacciones a nivel microscópico de la estructura de los materiales dieléctricos poliméricos sólidos y los mecanismos de degradación activados por las DP a través de una novedosa función de daño. Además, se presenta un novedoso y original modelo de vida para dieléctricos sólidos poliméricos en función de la energía de impacto de los electrones durante las DP y se propone un nuevo, original y práctico indicador de la tasa de degradación con base en el valor pico de la corriente inducida por las DP.
El estado del arte, los modelos, metodología e indicador de degradación propuestos, así como los resultados de la investigación y principales aportaciones al conocimiento, fueron presentados en varias publicaciones en revistas indexadas posicionadas en los primeros cuartiles (nueve) y en congresos internacionales (tres). Algunas de las publicaciones de revista (seis) se incluyen en el cuerpo de este documento y permiten la presentación de esta tesis en la modalidad de compendio de artículos.
Los modelos y métodos propuestos en esta tesis son útiles, no solamente desde un punto de vista meramente analítico, sino además en el campo práctico de la ingeniería, ya que pueden usarse en conjunto con medidas experimentales y técnicas de inteligencia artificial para implementar herramientas de diagnóstico de equipos eléctricos en servicio. Además, pueden desarrollarse otras futuras líneas de investigación a partir de los resultados obtenidos y los modelos presentados en esta tesis.
