Nuevas tecnologías para evaluar transformadores de potencia

NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LA
CONDICIÓN DE TRANSFORMADORES DE
POTENCIA
Buenos Aires
Argentina
3 de Octubre - 2012
1

Mañana
Conceptos básicos de los Transformadores
Pruebas Eléctricas Regulares
Pruebas Eléctricas Especiales I: Pruebas de Factor de Potencia /
Disipación
Pruebas Eléctricas Especiales II: FDS - Espectroscopia en el
Dominio de Frecuencia
ESTRUCTURA DEL SEMINARIO
Dominio de Frecuencia
Pruebas Eléctricas Especiales III: SFRA - Análisis de la Respuesta
de Barrido de Frecuencia
2
Seminario Buenos Aires - Octubre 2012
Tarde
Ensayo de Factor de Potencia / Disipación
Ensayo de Análisis de Respuesta en Frecuencia

Conceptos Básicos de los
NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LA
CONDICIÓN DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Conceptos Básicos de los
Transformadores
3

Contenido:
➽ Seguridad
➽ Aplicación
➽ Características básicas
➽ Teoría elemental
➽ Características de diseño
➽ Consideraciones finales
Conceptos Básicos de los Transformadores
➽ Consideraciones finales
4
(Source: Waukesha)

Seguridad (I)
¡¡ Seguridad Ante Todo !!
5

Seguridad (II)
¡¡ Seguridad Ante Todo !!
Emplear SIEMPRE los elementos de protección adecuados
6

Seguridad (III)
1) Inspección Visual
• Cables sin aislamiento
• Verificar si existen deformaciones en el tanque
• Verificar el estado de los instrumentos de medición/protección
• Verificar los conexionados a tierra
2) Asegurarse de conocer los elementos que están energizados
7
2) Asegurarse de conocer los elementos que están energizados
3) Verificar la proximidad hacia líneas energizadas
• Pueden inducir energía en equipos fuera de servicio
4) Verificar y delimitar el área de pruebas
5) ¡NUNCA DEJE DE ESTAR ATENTO!

Seguridad (IV)
National Fire Protection Association - 70E: Electrical Safe Work Practices
8

Aplicación (I)
Los generadores producen cantidades variables de energía.
Normalmente las estaciones de generación se encuentran a grandes
distancias de los centros de carga final.
Los transformadores intervienen de una manera efectiva en el
transporte de energía en largas distancias con mínimas pérdidas:
• Elevación de las tensiones de generación
• Líneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes
9
• Líneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes
distancias
• Alta Tensión Baja Corriente = “pérdidas bajas” (i2·r)
Los transformadores también se emplean en los sistemas de
distribución, reduciendo la tensión a niveles adecuados para las cargas.
Los Transformadores son elementos clave en la estructura de los SisPot.

Aplicación (II)
Líneas de
Transmisión
AT
AT a MT
Transformador
BT y AT
Transformador
Generación Eléctrica
Cargas de Potencia
Eléctrica
MT a BT +
Líneas de
Distribución
Líneas de
Distribución MT
10
Transformadores

Aplicación (III)
El transformador es el equipo mas importante en la Estación
Transformadora. Los equipos restantes son para Control; Medición
y Protección
11

Características Básicas (I)
Tipos de Transformadores
Transformadores de Plantas Generadoras
Transformadores de Sistemas de Transmisión
Transformadores Auxiliares
Transformadores de Arranque
12
Transformadores de Arranque
Transformadores de Sistemas de Distribución
Transformadores especiales: Hornos a arco, rectificadores, etc.

Características Básicas (II)
Tipos constructivos:
Dos devanados
Tres Devanados
Autotransformador
13
• Con terciario inmerso (no accesible)
• Con terciario disponible: Servicios Auxiliares. Distribución

Características Básicas (III)
Parámetros a especificar (a):
Potencia MVA: para cada devanado y cada etapa de
enfriamiento.
Sistema de Enfriamiento: ONAN/ONAF, etc.
Temperatura de Incremento: 65ºC., 55ºC.
14
Número de Fases (monofásico o trifásico).
Frecuencia del Sistema: 50 o 60 Hz.
Tensiones nominales de todos los devanados (fase – fase) y
rangos de tensiones de operación.

Características Básicas (IV)
Parámetros a especificar (b):
Configuración de Devanados: ∆, Υ, zig-zag
BIL: Basic Impulse Level
Tomas:
• DETC ± 2 @ 2.5%
15
• DETC ± 2 @ 2.5%
• LTC ±10% en 16 etapas cada una de 5/8 %
Impedancia de CC

Características Básicas (V)
Niveles de tensión:
Generación
• 10 a 34.5kV
Transmisión
• 1000 kV, 765kV, 500kV, 345kV, 230kV, 138kV, 124kV, 69kV
16
• 1000 kV, 765kV, 500kV, 345kV, 230kV, 138kV, 124kV, 69kV
Distribución / Industrial
• 69kV, 34.5kV, 28kV, 24kV, 13.2kV, 11kV, 7.6kV, 4.16kV,
0.480 kV
Residencial
• 0.240 kV, 0.120 kV

Características Básicas (VI)
Tipos de devanados:
Transformador de dos devanados
• Normalmente empleado en
subestaciones de Distribución.
• Puede utilizar LTC para
17
• Puede utilizar LTC para
regulación de la tensión.
• Generalmente ∆-Υ en unidades
reductoras.
• Para el caso de unidades
elevadoras usualmente es Υ-∆.

Características Básicas (VII)
Tipos de devanados:
Transformador de tres devanados
• Normalmente empleado en
subestaciones de Distribución
• Puede utilizar LTC para regulación
18
• Puede utilizar LTC para regulación
de tensión
• Generalmente en unidades de
distribución Υ - Υ - ∆
• En plantas de generación el grupo
es por lo general ∆ - Υ - Υ .

Características Básicas (VIII)
19

Teoría Elemental (I)
Objetivo:
• Transferir energía desde la fuente hacia la carga.
Construcción:
• Dos conductores (primario y secundario) bobinados sobre un mismo
núcleo, por ende aislados eléctricamente uno del otro.
1. Ley de Faraday: Una fuente de
energía aplica una corriente AC que
pasa por el devanado primario,
20
pasa por el devanado primario,
produce una densidad de flujo
magnético que varía en el tiempo
sobre el núcleo.
2. Este flujo también pasa a través del
secundario induciendo una tensión en
el secundario.
3. Cuando la carga esta conectada al
secundario, la corriente fluye según la
impedancia de la carga.

B α I
Teoría Elemental (II)
Ecuación universal del transformador:
U = Tensión
f = Frecuencia
U = 4,44 x f x A x N x B
21
A = sección área del núcleo
N = # de espiras
B = Densidad de Flujo magnético
I = Corriente de Excitación
La tensión inducida es función de frecuencia, geometría y corriente

Teoría Elemental (III)
Flujo de Saturación
• Es el nivel máximo de flujo magnético que un material puede
manejar sin importar el valor de corriente aplicada
• Depende únicamente de las propiedades del material del núcleo
y su diseño: Permeabilidad Magnética y Temperatura.
Corriente de Excitación
• La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado estando
22
• La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado estando
el otro en vacío (circuito abierto), cuando se aplica una tensión al
transformador.
• Genera corrientes parásitas en el núcleo (Eddy) y pérdidas por
histéresis.
• Depende principalmente de la tensión aplicada.
Corriente de Saturación
• Es el nivel de corriente en el cual la saturación del flujo se inicia.

Teoría Elemental (IV)
Pérdidas por Histéresis = Memoria Magnética (historia)
• No toda la energía necesaria para magnetizar un material se
recupera cuando éste es desmagnetizado.
• Mientras mas ancho y alto el lazo de histéresis, mayores las
pérdidas por histéresis que tiene un material.
23

Teoría Elemental (V)
Pérdidas Totales
a) Resistencia de los Devanados
• Debido a la resistencia de los
conductores
b) Reactancia de Fuga
• Debido a la fuga de flujo
c) Resistencia del Núcleo
24
c) Resistencia del Núcleo
• Pérdidas por histéresis
y corrientes parásitas
Calor (Calentamiento)

Teoría Elemental (VI)
Modelo eléctrico de una unidad monofásica
25
R1 , R2 - Resistencia de los devanados 1 y 2 respectivamente
XL1 , XL2 - Reactancia de dispersión en devanados 1 y 2 respectivamente
I0 - Corriente total sin carga
Im - Componente de magnetización
Ic - Componente de pérdidas en el núcleo
Im >> Ic - usualmente
E1 , E2 - Tensiones inducidas en los devanados 1 y 2 respectivamente

Características de diseño (I)
Principales componentes
➽ Conductores Eléctricos / Devanados
➽ Núcleo Magnético
➽ Aislamiento
Primario
Secundario
26
Secundario
➽ Conmutador / Regulador
➽ Bushings o pasamuros
➽ Sistema de enfriamiento
➽ Sistema de protección Fuente: Siemens

Características de diseño (II)
Conductores Eléctricos / Devanados
➽ Función: conducir la corriente
➽ Material: cobre o aluminio
27
(Source: Alconex) (Source: Waukesha Transformer)

Características de diseño (III)
El Núcleo Magnético
➽ Objetivo: establecer el canal del Flujo Magnético
➽ Material: Acero eléctrico M3, M4
28
(Source: Waukesha Transformer)

Características de diseño (IV)
El Núcleo Magnético
➽ Una serie de láminas delgadas planas, aisladas una con respecto a la otra
➽ Reduce las pérdidas corrientes (Eddy)
Malo
29
Bueno

Características de diseño (V)
Material Aislante (Primario)
➽ Objetivo: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánico
➽ Material: Celulosa; papel Kraft, papel crepe, madera eléctrica, etc..
30
Insulating Structure Inside Power Transformer
(Source: 2005 Weidmann Conf.)

Características de diseño (VI)
Material Aislante (Secundario)
➽ Objetivo: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantiene alejada la
humedad.
➽ Material: Aceite Mineral, Natural, Silicona, Air, Nitrógeno, SF6.
31

Características de diseño (VII)
Conmutador
➽ Objetivo: permitir la regulación de la tensión en ciertos valores
• Cambiador de Tap bajo Carga (CTBC)
• Cambiador de Tap Des-energizado (CTDE)
32

Características de diseño (VIII)
Bushings o pasamuros
➽ Objetivo: Interconectar los barras (ET) con los devanados del
transformador.
33
Fuente: Hubbell Power Systems

Características de diseño (IX)
Sistema de enfriamiento
Tipo Medio de Enfriamiento Mecanismo Empleado
ONAN (OA) Aceite Natural Enfriamiento Propio
ONAF (FA) Aceite Natural - Aire Forzado Ventiladores
34
ONAF (FA) Aceite Natural - Aire Forzado Ventiladores
OFAF (FOA) Aceite Forzado - Aire Forzado Bombas y Ventiladores
ODAF (FOA) Aceite Dirigido - Aire Forzado Bombas y Ventiladores

Características de diseño (X)
Sistema de enfriamiento: Radiadores, Ventiladores, Flujo, etc..
35

Mantenimiento de Transformadores (I)
En un mundo perfecto e ideal…..
Los componentes del transformador
tendrían CERO pérdidas y NUNCA
fallan!
• Conductores ideales
• Permeabilidad del núcleo infinita: el 100% del flujo se comparte entre
36
• Permeabilidad del núcleo infinita: el 100% del flujo se comparte entre
las bobinas acopladas.
• El flujo magnético se concentra sólo en el núcleo del transformador.
• Los aislantes son perfectos, las pérdidas nulas.
• No existen solicitaciones externas

Mantenimiento de Transformadores (II)
Pero en la vida real…
• No existen conductores perfectos:
Los devanados tienen resistencia óhmica.
• No existe permeabilidad del núcleo infinita:
No es posible que el 100% del flujo que se comparta sólo entre los
Los componentes del transformador
tienen pérdidas y además FALLAN!
37
No es posible que el 100% del flujo que se comparta sólo entre los
devanado acoplados.
• No todo el flujo magnético se concentra en el núcleo del
transformador (fuga de flujo).
• No existe resistencia de aislamiento infinita y/o el factor de potencia
del aislamiento no es CERO (“la corriente de fuga” no es nula).
• Los transformadores están sometidos a diversas solicitaciones:
carga, térmicas, sobretensiones, etc.

Mantenimiento de Transformadores (III)
Deterioro
Deterioro
Envejecimiento
Envejecimiento
Degradación
del
Aislamiento
Agentes
38
Solicitaciones
Solicitaciones
Aislamiento
Mantenimiento:
Pruebas y
Ensayos
Agentes

Mantenimiento de Transformadores (IV)
¿Cuales son los principales agentes de degradación?
➽ Estrés dieléctrico: generado entre las capas aislantes de conductores
a diferentes potenciales eléctricos.
➽ Estrés térmico: generado fundamentalmente por las pérdidas
(¿cuáles?) en cada uno de los materiales que conforman la estructura
del transformador.
39
➽ Estrés mecánico: generado en aislantes y conductores como
consecuencia de fuertes impactos durante el transporte y montaje y por
esfuerzos electrodinámicos debidos a eventos transitorios.
➽ Estrés químico: ciertos subproductos de la degradación del aceite,
degradan los aislantes del transformador.
➽ Estrés ambiental: generado por agentes medioambientales (sal y
substancias corrosivas) que degradan la cuba, bushings, juntas, etc.

Mantenimiento de Transformadores (V)
¿Qué es el mantenimiento?
➽ Es el conjunto de las actuaciones técnicas y administrativas
que aseguran la optimización de la efectividad de los
equipos y productos industriales.
¿Cuáles son las filosofías?
➽ Mantenimiento “0”: Se reempleza cuando se avería
40
➽ Mantenimiento “0”: Se reempleza cuando se avería
➽ Mantenimiento basado en el tiempo: realizado a períodos de tiempo
determinados.
➽ Mantenimiento basado en la condición: realizado en períodos de
tiempo flexibles, basado en diferentes parámetros, por ejemplo
antigüedad, relevancia del transfromador, etc.

Mantenimiento de Transformadores (VI)
¿Cuáles debieran ser los objetivos del mantenimiento?
41

Mantenimiento de Transformadores (VII)
Final de la Vida Útil del Transformador
La vida útil del transformador esta definida por su sistema de
aislamiento dieléctrico donde el estrés, la contaminación, los
cortocircuitos, los movimientos mecánicos, que podrían suceder en el
servicio normal, ocasionan un fallo eléctrico en el transformador.
42

“Curva de la bañera” o “Perfil de probabilidades de fallo”
Tasa
de
fallos
43
Tasa
de
fallos
Período de
mortalidad
infantil
Tiempo
Período de vida útil Período de
envejecimiento

Modelo básico de falla
44
Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003

Mantenimiento de Transformadores (VIII)
Maximizar la vida útil del transfromador
Mantenimiento/reparación:
• Regeneración de aceite
• Secado
• Cambio o reacondicionamiento de boquillas
• Cambio o reacondicionamiento de Cambiadores de Tomas
• Etc...
Años
%
Capacidad
Enemigos =
Esfuerzos &
45
Años
adicionales
de servicio!
Pruebas de
Diagnóstico
Tiempo
%
Capacidad
Esfuerzos &
Tiempo

Mantenimiento de Transformadores (IX)
Estrategias de Acción
46
Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003

Fallas del
aislamiento
13%
Diseño /
Materiales
3%
Contaminación
del aceite
6%
Sobrecarga
3%
Desconocidos/
Restantes
24%
HSB
Fallas del
aislamiento
26%
Fuego /
Explosión
3%
Descargas en
líneas
4%
Inundaciones
2%
Humedad
1% Desconocidos/
Restantes
16%
IMIA
Mantenimiento de Transformadores (X)
Indices de falla
47
Mantenimiento
/ Operación
inadecuados
11%
Conexiones
flojas
6%
Descargas
atmosféricas
12%
Sobretensiones
22%
Diseño /
Materiales
24%
Contaminación
del aceite
4%
Sobrecarga
5%
Mantenimiento /
Operación
inadecuados
5%
Conexiones flojas
7%
Descargas
atmosféricas
3%
3%
HSB: Harford Steam Boiler Insurance Company IMIA Working Group: “Analysis of Transformer Failures” -
International Association of Engineering Insurers 36th
Annual Conference – Stockholm, 2003

Mantenimiento de Transformadores (XI)
Tipos de controles
➽ Inspección Visual
➽ Pruebas en Línea
➽ Pruebas con Equipo Fuera de Servicio
➽ Inspección Interna
48
Pruebas con Equipo Fuera de Servicio
PRUEBAS ELÉCTRICAS

Mantenimiento de Transformadores (XII)
Dependiendo del nivel de importancia del equipo (transformador)
• Potencia - <2500 kVA, >50 MVA, etc.
• Importancia de la carga – generación
No-Planificada
• Luego de una falla
Programación de pruebas:
49
• Luego de una falla
• Luego alarmas
Frecuencia
• 6 meses
• 12 meses
• 36 meses, etc.

Mantenimiento de Transformadores (XIII)
1 - Tiempos de intervención
• Los transformadores de potencia se ensayan por primera vez en la
fábrica; luego en la puesta en servicio, durante el
mantenimiento, después de un fallo en el sistema o ante la
corazonada del equipo de mantenimiento.
10 Recomendaciones básicas:
50

Mantenimiento de Transformadores (XIV)
2 - Normas:
• Cada ensayo puede requerir de una diferente estrategia o
mentalidad, lo cual puede implicar considerar diferentes normas o
criterios, buscando confirmar o desestimar determinados
diagnósticos.
51
• Ensayos en Fábrica:
C57. 12.00 - “Standard for Standard General Requirements for Liquid-
Immersed Distribution, Power, and Regulating Transformers”
C57.12.90 - “Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power
and Regulating Transformers”
IEC 60076-1, “Power transformers” - Part 1, 2, 3, 4 ,5
6, 7, 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 21.

Mantenimiento de Transformadores (XV)
• Ensayos en Campo:
IEEE 62-1995 (R2005): “IEEE Guide for Diagnostic Field Testing of
Electric Power Apparatus - Part 1: Oil-Filled”
IEEE C57.93-2007: “Guide for Installation and Maintenance of Liquid-
Immersed Power Transformers”
52
IEEE PC57.152 D5.1: “Draft Guide for Diagnostic Field Testing of Fluid
Filled Transformers, Regulators and Reactors”
CIGRE Broshure 227 “Life Management Techniques for Power
Transformer”.
CIGRE Broshure 445 “Guide for Transformer Maintenance”

Mantenimiento de Transformadores (XVI)
3 - Trabajar cómodo y disponer de los manuales de los instrumentos
• Es fundamental sentirse relajado, cómodo, seguro y consciente de
los ensayos que se realizarán sobre el transformador.
• “Ante cualquier duda, consulte al manual del instrumento”
4 - Identificar los riesgos
53
4 - Identificar los riesgos
5 - Usar instrumentos calibrados y certificados
6 - Utilizar los elementos de protección personal
7 - Asegurar la puesta a tierra de todas las conexiones para tal fin
8 - Inspeccionar visualmente el área de ensayo
9 - Estar familiarizado con el ensayo
10 - Descargar y desmagnetizar al cabo de los ensayos

Consideraciones Finales (I)
Pruebas recomendadas por IEEE (P 62) (1/2)
Component Test Megger products
Windings
Resistance MTO
Ratio/polarity TTR
Excitation current Delta/TTR
Short-circuit impedance MLR/FRAX
Frequency response analysis FRAX
Insulation resistance S1
Capacitance Delta/IDAX
Power factor/tan delta Delta/IDAX
Dielectric frequency response IDAX
Induced voltage/partial discharge
54
Induced voltage/partial discharge
Bushings
Capacitance Delta/IDAX
Power factor/tan delta Delta/IDAX
Dielectric frequency response IDAX
Partial discharge
Temperature (Infrared)
Insulating oil
Water content KF
Dissolved gas
Dielectric strength OTS
Particle count
Power factor/tan delta IDAX/Delta
Interfacial tension
Acidity
Visual
Color
Oxidation stability

Consideraciones Finales (II)
Pruebas recomendadas por IEEE (P 62) (2/2)
Component Test Megger products
Cellulose insulation Moisture content IDAX-MODS
Tap changers
Load
Contact/winding resistance MTO
Temperature (Infrared)
Ratio TTR
Timing (make before break) MTO
Motor current
Limit switch
Contact pressure (resistance test) MTO
55
De-energized
Contact pressure (resistance test) MTO
Centering
Ratio TTR
Visual inspection
Core
Insulation resistance MIT/S1
Frequency response analysis FRAX
Ground test MoM/DLRM

Consideraciones Finales (III)
Las pruebas eléctricas deben permitir el diagnóstico que permita
tomar las decisiones correctas con el fin de evitar los fallos y la
degradación no controlada.
La adopción de las decisiones correctas evita las pérdidas de dinero.
En cualquier caso las pruebas eléctricas deben estar integradas.
56
Resistencia de
Arrollamientos
Aislamiento
Tan delta
FRA

MEGGER
EQUIPOS DE PRUEBA
DIAGNÓSTICO Y PRUEBAS DE
TRANSFORMADORES
57

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