Tesis:
Modelado y simulación de descargas parciales internas, arborescencias eléctricas y vida útil de dieléctricos poliméricos sólidos utilizados en activos eléctricos
- Autor: RODRÍGUEZ SERNA, Johnatan Mauricio
- Título: Modelado y simulación de descargas parciales internas, arborescencias eléctricas y vida útil de dieléctricos poliméricos sólidos utilizados en activos eléctricos
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. DISEÑO INDUSTRIAL
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRICA, ELECTRONICA AUTOMATICA Y FISICA APLICADA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69020/
- Director/a 1º: ALBARRACÍN SÁNCHEZ, Ricardo
- Resumen: 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. El contenido y estructura de esta tesis de doctorado se describen en la siguiente sección. ----------ABSTRACT---------- Modern societies are highly dependent on a reliable supply of electrical energy, which implies that the electrical assets and equipment used in electric power generation, transmission and distribution systems must be maintained in constant operation, avoiding unexpected or unscheduled outages. No equipment or system is free from defects or failures that can be due to a lack of maintenance, improper use or, among others, manufacturing problems. It is necessary to verify the proper operation of electrical-asset insulation systems in order to confirm reliability and safety conditions. In addition, in the case of faults in the insulation system such detection must be made at an early stage so that corrective actions may be planned and costs associated with repairs and loss of electrical supply reduced. In solid polymeric dielectrics, internal partial discharges (PD, in the singular form) in cavities represent the dominant degradation mechanism. The PD activity in cavities causes the inception of electrical trees that propagate rapidly through the solid dielectric from the surface of the cavities until electrical insulation breakdown. For this reason, PD measurements obtained in electrical asset insulation systems provide highly valuable information about the aging state and, as will be proposed in the doctoral thesis, may be used to estimate the remaining lifespan in conjunction with simulation results. The thesis entitled Modelling and Simulation of Internal Partial Discharges, Electrical Treeing and Lifetime Prognosis of Solid Polymeric Dielectrics Used in Electrical Assets is the result of research based on modelling and simulation with the purposes of both understanding, and contributing to, what is known about the physical processes related to the phenomena of PD in cavities inside solid polymeric dielectrics. It also seeks to comprehend how PD activity in cavities degrades the dielectric material in causing a breakdown of the insulation system. The models for simulating PD in cavities, simulating propagation of electrical trees and estimating the remaining lifespan in polymeric solid dielectrics are reviewed and discussed. Based on the study and theoretical analysis of the phenomena and existing models, several new models are proposed that allow improvements in the precision of simulations and consideration of the multiphysics characteristics of the studied phenomena and inhomogeneity of the dielectric materials. Among the models proposed for simulating PD, both in cavities and in electrical trees, and propagation of electrical trees inside solid dielectrics are the following: 1. An improved PD analytical model 2. A novel multiphysics PD analytical model 3. An improved three-capacitance PD model 4. A novel electrostatic PD finite element model 5. A new hybrid PD finite-element model 6. An improved deterministic model for simulating PD in electrical trees 7. A novel stochastic model for simulating PD in electrical trees 8. An improved physical model for simulating the propagation of electrical trees in solid polymeric dielectrics The models were validated by comparison between simulation results and experimental measurements reported by in the published literature. Additionally, analysis of the simulation results of case studies allowed conclusions to be obtained about the processes and mechanisms of the degradation induced by PD in cavities and in electrical trees inside solid dielectrics. In addition, this also enabled the validity and appropriateness of media parameters and variables defined in previous models to be discussed. Lastly, hypotheses about the effect of composite materials on tree propagation and on the relationship between the energy dissipated by PD, and the tree growth rate and direction of propagation, were formulated. Verification of these last hypotheses will require experimental validation that will involve future international in-laboratory research supported by funding from the public and private sectors. Similarly, a novel methodology for estimating the degradation induced by PD activity in cavities inside solid polymeric dielectrics and, consequently, calculating the remaining lifespan from simulation results, is proposed. This methodology uses a novel damage function that considers the interactions at the microscopic level between the structure of solid polymeric dielectric materials and the degradation mechanisms activated by PD. In addition, a novel life model for solid polymeric dielectrics as a function of the impact energy of the electrons during PD, and a new and practical indicator of the degradation rate, based on the peak value of the PD-induced current, are presented. The state of the art, proposed models, methodology and indicator of degradation, as well as the results obtained from the research and main contributions to the field, have been published in nine indexed journal articles (journals positioned at the first three quartiles in the Journal Citation Report, JCR) indicator and presented in three international conference papers. Six of the indexed articles are included in the body of this document and allow the presentation of the thesis in the form of a compendium of publications. The models and methods proposed are useful not merely from an analytical point of view but also in the practical field of engineering, given that they may be used in conjunction with experimental measurements and artificial-intelligence techniques to implement diagnostic tools for electrical equipment in-service. In addition, other future lines of research could be developed from the results and the models presented. The content and structure of the thesis are described in the following section.