IEC 60270: qué mide realmente una lectura de descarga parcial

Cuando un vacío dentro del aislamiento de un conjunto de película dieléctrica se rompe localmente, la carga que se desplaza está en el rango de picoculombios a nanoculombios y dura decenas de nanosegundos. No se puede ver. Lo que el instrumento percibe es el pulso de corriente que esta ruptura local empuja a través de la propia capacitancia del espécimen, y la integral de esa corriente es lo que se registra. La norma IEC 60270 lo llama carga aparente precisamente por esto: es la carga que habría que inyectar en los terminales para reproducir la misma altura de pulso.

De aquí se deducen dos consecuencias, y explican la mayor parte de las discusiones entre suministradores y clientes.

Primero, la lectura escala con el espécimen. Una barra trilaminada de 3 m puede presentar entre conductor y tierra de 1,5 a 4 nF, mientras que una probeta de 80 mm presenta una fracción de eso. Si se inyecta la misma actividad de vacío en ambas, la pieza más grande muestra una carga aparente mayor en los terminales, porque una mayor parte de la corriente del pulso está disponible para la impedancia de medición. Las comparaciones entre geometrías solo tienen sentido si se describe el circuito de ensayo.

Segundo, la lectura escala con el circuito. El valor del capacitor de acoplamiento, la longitud de los cables, la puesta a tierra, el ancho de banda y la posición del calibrador mueven todos el número. Un resultado de 10 pC obtenido en un laboratorio con una configuración compacta y apantallada no es la misma afirmación que un 10 pC medido a través de dos metros de cable sin apantallar, aunque ambos hayan impreso «10 pC» en el informe.

Para el trasfondo físico de dónde empiezan las descargas en una barra, ver el primer capítulo sobre descargas parciales; esta página trata la norma de medición que convierte esa física en un número.

Antes de cualquier medición de DP, un calibrador inyecta una carga conocida —10 pC, 50 pC, 100 pC— en el circuito de ensayo, y el factor de escala del instrumento se ajusta a partir de esa inyección. El detalle que decide si el resultado es confiable es dónde se inyecta la carga.

El calibrador debe conectarse en paralelo con el espécimen, en los terminales del espécimen, con el mismo circuito y la misma puesta a tierra que se usarán para el ensayo. Un calibrador pinzado a la entrada del instrumento, o inyectado solo a través del capacitor de acoplamiento, solo demuestra que el instrumento cuenta; no dice nada del camino que recorre el pulso real de DP a través de los cables del espécimen y de la impedancia de medición.

Dos verificaciones prácticas que conviene exigir en cualquier informe:

• Calibración antes y después del ensayo. Si el factor de escala deriva durante una corrida de 30 minutos, la segunda calibración lo pone de manifiesto. La deriva suele apuntar a una conexión floja o a un cambio en la capacitancia parásita, y la corrida completa debe repetirse en lugar de promediarse.
• Precisión y fecha del calibrador. Un calibrador cuya última verificación fue hace cuatro años, con una tolerancia del 5 %, ya se ha gastado la mitad del margen de un límite de aceptación de 10 pC.

El error clásico en trabajo con barras es calibrar con el espécimen desconectado. En el momento en que la barra se conecta, su capacitancia y la inductancia de los cables cambian la función de transferencia, y la inyección de 50 pC se convierte en una incógnita en los terminales. Si la configuración se reconstruye después de la calibración, la calibración queda anulada. Nuestro propio proceso de calidad trata un circuito reconstruido como un ensayo nuevo, no como una continuación.

Un circuito convencional de DP de banda estrecha es simple: espécimen, capacitor de acoplamiento, impedancia de medición, amplificador, detector. La norma IEC 60270 admite tanto detección de banda estrecha (típicamente centrada entre 100 kHz y 1 MHz) como de banda ancha, y el trabajo de la norma es hacer la lectura trazable, no prescribir un circuito único.

Las barras rompen los supuestos cómodos de tres maneras.

Capacitancia. Un conjunto laminado con películas PET o DLF es un capacitor distribuido, y su valor puede ser grande comparado con el capacitor de acoplamiento. Si el capacitor de acoplamiento no es cómodamente mayor que el espécimen, el pulso se divide de una manera que depende de la geometría, y la calibración realizada en un punto ya no representa a todo el espécimen.

Tiempo de subida. La separación entre conductores en una barra es pequeña, de modo que los pulsos son cortos y su espectro se extiende hacia arriba. Un detector ajustado a una ventana de banda estrecha de 100 kHz puede sub-detectar los eventos más rápidos; una configuración de banda ancha los ve, pero también ve más del ruido ambiente. El ancho de banda, la ganancia y la base de tiempos deben figurar por tanto en el informe, no solo el valor en pC.

Geometría de la tierra. Los propios conductores de la barra forman parte del camino de tierra una vez instalados en una envolvente. Ensayar un conjunto desnudo sobre un banco, con un retorno de tierra que pasa junto al espécimen, produce lecturas que significan otra cosa que las del mismo conjunto atornillado a un ensamblaje de barra de cobre en su orientación final. Si la aplicación es un enlace DC de inversor, pida también el contexto de diseño de baja inductancia, porque la disposición que reduce la inductancia de la espira cambia también dónde se concentra el campo.

Todo número de DP es una diferencia entre señal y fondo, y la forma honesta de reportarlo es declarar el fondo. Una regla de aceptación común es que el fondo no supere la mitad del límite de aceptación: con un límite de 10 pC, fondo por debajo de 5 pC, y preferiblemente por debajo de 2 pC. Un informe que muestra 9 pC medidos frente a 8 pC de fondo no está reportando una descarga; está reportando un entorno.

La discriminación importa tanto como la sensibilidad. Los patrones de fase (PRPD) separan a los sospechosos habituales:

• Vacíos internos en el conjunto de película se repiten dos veces por ciclo, son aproximadamente estables en fase y crecen con la tensión de manera predecible.
• Corona desde el cable de alta tensión o el buje se sitúa en una fase fija, a menudo asimétrica entre medios ciclos, y no se mueve al reorientar el espécimen, pero sí desaparece cuando el cable se dispone de otra manera.
• Actividad superficial en bordes de corte es errática, sensible a la humedad, y a menudo aparece solo por encima de una tensión umbral que se desplaza de un día a otro.
• Ruido de conmutación y de accionamiento desde bancos de ensayo de vehículo eléctrico o inversores cercanos es de banda ancha y está correlacionado con el estado operativo del otro equipo, no con la tensión aplicada.

Los métodos no convencionales —detección acústica, UHF u óptica— son verificaciones cruzadas útiles para localizar una fuente, pero no sustituyen la lectura en pC calibrada cuando el criterio de aceptación está escrito en picoculombios.

La norma IEC 60270 es una norma de medición. Define la magnitud, el procedimiento de calibración y los requisitos de informe. Deliberadamente no fija un límite de aceptación, porque un límite depende del producto, de la clase de tensión y de la consecuencia del fallo.

El límite viene de otro sitio: una norma de producto, una especificación de cliente, o una regla interna de diseño. En conjuntos de aparamenta de baja tensión, la práctica de verificación y la división de responsabilidades entre ensayos de tipo y ensayos de rutina se establecen en la norma IEC 61439. Las distancias de aislamiento y las líneas de fuga que determinan qué esfuerzo de campo ve el aislamiento provienen de la norma IEC 60664-1, por eso una discusión sobre DP sin esos dos números está incompleta.

En la práctica, las especificaciones de barras laminadas en trabajo industrial y de movilidad eléctrica suelen exigir algo como 10 pC a un múltiplo indicado de la tensión máxima de sistema, mantenido durante un tiempo indicado, con el criterio aplicado en el escalón final tras una rampa de tensión. La tensión exacta, el tiempo de mantenimiento y el criterio tienen que quedar escritos, porque tres suministradores citando «10 pC» pueden estar ensayando a tres tensiones distintas. Un suministrador que reporta «libre de DP» sin tensión y sin nivel de fondo no ha reportado nada.

Hay también un punto de secuenciación que es fácil de perder: un ensayo de DP realizado antes del ensayo de rigidez dieléctrica puede quedar invalidado por ese mismo ensayo de rigidez, que puede acondicionar o dañar un vacío marginal. Donde ambos son obligatorios, el orden y el historial de acondicionamiento pertenecen al mismo documento. Tratamos la vertiente de aceptación de los ensayos de tensión en la guía de aceptación del ensayo de rigidez.

Un conjunto de prensado con película no es un dieléctrico homogéneo. Es capas de película, adhesivo, cobre y aire que nunca se expulsó del todo, y los sitios de descarga siguen esa estructura.

Vacíos entre capas de película. La presión y la temperatura de laminación deciden cuánto aire queda en la interfaz. Un vacío de unas pocas decenas de micras de grosor entre dos capas de PET ve el campo completo a través del aislamiento y es la fuente clásica de descarga interna. Esta es una variable de proceso, no de diseño: dos suministradores con planos idénticos pueden diferir aquí.

Bordes de la lámina y puntos triples. Donde la lámina de cobre termina dentro del aislamiento, el campo se concentra en el borde, y el punto donde se encuentran cobre, película y cualquier aire residual es un punto triple con esfuerzo realzado. Las rebabas dejadas por el corte desplazan esa concentración todavía más.

Bordes de corte de la pieza terminada. La cara de corte expone la estructura de capas; si el corte es mecánico y el borde viene recalcado o delaminado, el tracking superficial y la descarga superficial se hacen posibles, especialmente a alta humedad.

Interfaces de espárragos e insertos. Un inserto roscado prensado en el conjunto crea un camino donde el campo se encuentra con una pieza metálica de acabado de superficie distinto y con un posible microhueco. Los vacíos en estas interfaces son la razón por la que la inspección de interfaces aparece en nuestra guía de inspección de vacíos y ensayo CT junto a los ensayos eléctricos.

Qué sitio domina depende de la clase de tensión y del número de capas. Las barras de batería de alto número de capas con películas delgadas a baja tensión pueden pasar con facilidad; la misma construcción a 1.000 V DC con un borde de corte contaminado puede fallar un límite que habría cumplido como probeta. Por eso un resultado de DP debe reportarse siempre junto con la geometría de la pieza sobre la que se midió.

Una sola línea que diga «DP < 10 pC, pasa» no se puede auditar. Seis elementos hacen que un informe sea usable, y su ausencia es un punto de negociación, no un detalle técnico.

• Esquema del circuito con la capacitancia del espécimen, la capacitancia de acoplamiento, la impedancia de medición y la disposición de puesta a tierra dibujados según se construyeron.
• Registro de calibración: modelo del calibrador, fecha del certificado, carga inyectada, punto de inyección, y factor de escala antes y después de la corrida.
• Nivel de fondo medido con el espécimen energizado a la misma tensión pero sin la fuente de descarga donde sea posible, o medido antes de la rampa con el circuito cerrado.
• Programa de tensión: escalones, velocidad de rampa, tiempos de mantenimiento en cada escalón, y la tensión a la que se aplicó el criterio.
• Lecturas y patrón: qmáx en cada escalón más capturas PRPD con ganancia y base de tiempos indicadas, para que un revisor pueda ver si la actividad era interna, superficial o corona.
• Criterio y declaración: de qué cláusula o requisito de cliente viene el límite, y una declaración clara de pasa o no pasa a esa tensión.

Cuatro señales de alarma que conviene levantar antes de una orden de compra: calibración mencionada sin su punto de inyección; sin cifra de fondo; una tensión de ensayo inferior a la tensión máxima de sistema de la aplicación; y un informe cuyo valor de DP se cita sin ancho de banda ni ganancia. Cada una de esas debilita la afirmación, y ninguna de ellas se arregla repitiendo el ensayo en el mismo laboratorio con las mismas omisiones.

Imprima esto y téngalo junto al instrumento. Está escrito para un espécimen de barra laminada, y asume que el objetivo es un número que otra persona pueda defender.

• 1. Capacitancia del espécimen medida y anotada, antes y después de la conexión.
• 2. Capacitor de acoplamiento al menos un orden de magnitud por encima de la capacitancia del espécimen, o la desviación explicada.
• 3. Puesta a tierra de punto único, con el retorno de tierra no enrutado cruzando la cara del espécimen.
• 4. Fondo registrado a la tensión de ensayo, no a cero; objetivo por debajo de la mitad del límite de aceptación.
• 5. Calibrador inyectado en los terminales del espécimen, con el circuito final en su sitio.
• 6. Calibración repetida al final de la corrida y comparación de los dos factores de escala.
• 7. Ancho de banda, ganancia y base de tiempos registrados en el diario.
• 8. Escalones de tensión y tiempos de mantenimiento tomados de la especificación, incluido el escalón de acondicionamiento si es requerido.
• 9. Capturas PRPD guardadas en cada escalón donde aparece actividad, no solo en el escalón final.
• 10. Criterio citado desde su fuente, y la declaración de paso escrita contra la tensión realmente aplicada.

Nada de esto convierte una mala pieza en buena, y nada es papeleo por el papeleo. Hace que una buena pieza sea demostrable — que es lo único que una medición de DP puede ofrecer a una decisión de compra. Si la pieza además tiene que sobrevivir la calificación mecánica, la misma lógica aplica al camino de probeta a serie, donde la evidencia tiene que estar atada a la configuración exacta que se envía.