Que es tLa relación entre la magnitud de la descarga parcial y la vida útil del aislamiento?

 – Derivación del modelo matemático a partir de los valores de pC para la vida útil restante

En el campo del diagnóstico de aislamiento de equipos eléctricos de alta tensión, la magnitud de descarga parcial (PD), cuantificada en picoculombios (pC), se ha convertido en un indicador fundamental para predecir la vida útil restante de los equipos. La norma IEEE 1792 establece explícitamente que más del 85 % de las fallas de aislamiento de transformadores se deben a descargas parciales en sus etapas iniciales. Este artículo revela la relación intrínseca entre la magnitud de descarga parcial y la vida útil del aislamiento, guiándolo en la derivación de modelos matemáticos para comprender cómo los valores de pC pueden predecir la vida útil restante de los equipos.

Contenido

1. La naturaleza física de la descarga parcial: la "huella energética" de los defectos de aislamiento

La descarga parcial (DP) es un fenómeno de liberación de carga a escala de microsegundos causado por microdefectos (huecos, impurezas, grietas) en materiales aislantes sometidos a campos eléctricos de alta tensión. El proceso físico sigue la teoría de descarga de Townsend:

● Avalancha de electrones

Cuando existen huecos, impurezas o grietas en el aislamiento (Fig. 1a), la intensidad del campo eléctrico local puede alcanzar de 5 a 8 veces la de las regiones normales. Este intenso campo eléctrico acelera los electrones libres a altas velocidades:

(1)Los electrones de alta velocidad chocan con moléculas de gas → Generan nuevos pares electrón-ión

(2)Los nuevos electrones se aceleran nuevamente → Forman una Fórmula de escala de avalancha de electrones: n = eαd

(3)α: Coeficiente de ionización (proporcional a la intensidad del campo eléctrico E; aumenta bruscamente cuando E > 3 kV/mm)

(4)d: Tamaño del defecto (mm)

● Formación de canales de descarga (liberación de energía)

Cuando la avalancha de electrones abarca toda la región del defecto:

(1)El gas en el vacío se ioniza completamente → Forma un canal de plasma

(2)La diferencia de potencial a través del canal se libera instantáneamente → Genera un pulso de corriente
Cálculo de la carga transferida: Qpd = Cg × ΔU

(3)Cg: Capacitancia equivalente del defecto (Fig. 1b), valor típico 0.1-10 pF (Cg ∝ dεA/d, donde ε: constante dieléctrica, A: área del defecto)

(4)ΔU: Caída de tensión en la ruptura del vacío (kV), ΔU ∝ intensidad del campo eléctrico local

● Neutralización de carga (generación de señal)

La carga espacial generada por la descarga se adhiere a la pared vacía:

(1)Establece un campo eléctrico inverso → Suprime la descarga sostenida

(2)El circuito de detección externo detecta la transferencia de carga → Emite el valor pC

El valor de pC es un criterio clave para juzgar la PD. Cada pC representa 10⁻¹² culombios de transferencia de carga y los valores medidos reflejan directamente:

(1)Tamaño del defecto (Cg ∝ área del defecto)

(2)Grado de distorsión del campo eléctrico (ΔU ∝ intensidad del campo local)

2. Daño progresivo de la PD al aislamiento: desde la destrucción molecular hasta el fallo estructural

La esencia del daño por PD a los materiales de aislamiento es una reacción en cadena de deposición de energía → rotura del enlace químico → degradación estructural:

 Etapa 1: Rotura de la cadena molecular (bombardeo energético)

Un solo evento PD libera energía:
Suficiente para romper 27 mil millones de enlaces moleculares (energía de enlace CC: 3.6 eV), provocando directamente fracturas de la estructura de la resina epoxi y generando fragmentos de radicales libres.

Etapa 2: Corrosión química (aceleración de la degradación)

Cadena de reacción:
Radicales libres + O₂ → Ácidos carboxílicos
Ácidos carboxílicos + H₂O → H⁺ (iones corrosivos)
Efecto de amplificación: Cuando la humedad (moléculas de H₂O) es superior al 60 %, la tasa de corrosión se duplica (IEC 60814). La resistencia del aislamiento disminuye entre un 30 % y un 50 % → La corriente de fuga aumenta.

Etapa 3: Crecimiento del canal de erosión eléctrica (colapso estructural)

(1)Ley de crecimiento: dL/dt = K ⋅ (Qpd)m ⋅ eEa/kT

–K: Constante de erosión del material (resina epoxi: 2.3 × 10⁻⁷ mm³/μJ)

–m: exponente de magnitud de descarga (1.6~2.0)

–Ea: Energía de activación (0.8 eV)

(2)Punto crítico: Cuando la longitud del canal excede el 70% del espesor del aislamiento → Se produce una ruptura por perforación.

Modelo de tasa de degradación cuantitativa

Tasa de pérdida de espesor del aislamiento:

(1)K: Constante de erosión del material (resina epoxi: 2.3 × 10⁻⁷ mm³/μJ)

(2)m: exponente de magnitud de descarga (≈1.8 para huecos)

(3)Ea: Energía de activación (valor típico: 0.8 eV)

Ejemplo de cálculo:
Para Qpd = 500 pC (Wpd = 125 μJ), temperatura de funcionamiento 50°C:
    Tasa de erosión de la resina epoxi ≈ 0.15 μm/hora
    Vida útil teórica para una capa de aislamiento de 10 mm ≈ 7.6        años de edad, o mas,

3. Modelo matemático para la esperanza de vida restante: derivación de los años restantes a partir de los valores pC

Basándose en el marco de evaluación del envejecimiento del aislamiento IEC 60505, se construye el modelo de vida útil restante:

Ecuación básica: Integral del consumo de vida

Vida útil restante:

donde la vida útil característica:

Definiciones de parámetros:

Algoritmo práctico de ingeniería (método de tres pasos)

(1)Medida: Obtener la magnitud de descarga promedio Qpd (pC) y la temperatura T (K).

(2)Calcular: Vida útil característica τ = 5 × 10⁹ × (Qpd/50)⁻²·² × e²⁸⁰⁰/T (horas).

(3)Evaluar: Vida útil restante Lrem = τ/8760 (años).

Cálculo del caso:
Datos de prueba del transformador tipo seco: Qpd = 180 pC, T = 353 K (80 °C).
τ = 5 × 10⁹ × (180/50)⁻²·² × e²⁸⁰⁰/353 = 28,500 horas.
Lrem = 28,500 / 8760 ≈ 3.25 años.
La inspección posterior al desmontaje confirmó canales de erosión eléctrica de 12 mm, coincidiendo con las predicciones.

4. Aplicaciones de ingeniería: gestión de la vida útil y apoyo a la toma de decisiones

Medidas de optimización de la prolongación de la vida útil

(1)Técnicas de eliminación de fuentes de PD

Impregnación por Presión al Vacío (VPI): Rellena los huecos del aislamiento con resina epoxi, eliminando el espacio de PD. Tras el tratamiento, los valores de PD se reducen en más del 85 % (IEC 60076-11) y la vida útil típica se multiplica por 36.

Optimización del blindaje de nivelación: Remodela los electrodos para suprimir la distorsión del campo local. El voltaje de inicio de DP aumenta un 40 % (IEEE 1313.2), bloqueando eficazmente los desencadenadores de descarga.

(2)Ajustes de parámetros operativos

Control inteligente de temperatura: Reducir la temperatura en 10 °C reduce la tasa de erosión en un 58 %, lo que prolonga la vida útil 2.6 veces. Ideal para situaciones de fluctuación de carga.

Reducción de voltaje del –5 %: Ajusta la configuración de las tomas para reducir la PD en un 14 %, lo que aumenta la vida útil en un 60 %. Requiere monitoreo en línea.

Protección del medio ambiente

(1)Sistema de secado por micropresión positiva: Mantiene la humedad por debajo del 40%, interrumpiendo la cadena de descarga-acidificación. La PD se estabiliza por debajo de 50 pC en niebla salina, prolongando su vida útil en 12 años.

(2)Red de alerta de PD en tiempo real:Implementa sensores según IEEE C57.113. Activa la respuesta automática para DP > 300 pC, lo que reduce la tasa de fallos en un 92 % (CIGRE TB 642).

En resumen

La magnitud de descarga parcial (valor pC) cuantifica los defectos de aislamiento. El modelo matemático Lrem =

τA ⋅ (Qpd/β)⁻γ ⋅ eᴮ/T

 Permite la predicción científica de la esperanza de vida restante.La práctica de la ingeniería demuestra:

(1)Cuando PD > 300 pC, la vida útil del aislamiento suele ser <5 años, lo que requiere intervención.

(2)Los dispositivos con PD < 50 pC pueden alcanzar >20 años de funcionamiento seguro.
Validado por los estándares IEEE 1792 e IEC 60505, este modelo es ahora una herramienta fundamental para la toma de decisiones en la gestión de activos de la red global, ya que decodifica no solo los valores de pC, sino también la cuenta regresiva hasta la vida útil del equipo.

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