Este documento describe las pruebas eléctricas realizadas a transformadores. Explica las pruebas rutinarias realizadas en fábrica como resistencia de aislamiento, capacidad y tangente delta, relación de transformación y corrientes de excitación. También cubre pruebas como pérdidas en vacío, pérdidas en carga, tensión de cortocircuito y calentamiento para verificar el cumplimiento de especificaciones. Finalmente, introduce nuevas técnicas de diagnóstico como SFRA y espectroscopia dieléct

1. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
Energy Sector Power Transmission
Transformadores de Potencia
Módulo 3.
Pruebas Eléctricas a transformadores
Módulo 3.
Pruebas Eléctricas a transformadores
1. Generalidades1. Generalidades
Francisco Toribio buenoFrancisco Toribio bueno

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NOVIEMBRE 2010

OBJETIVOS
 Normatividad aplicable
 Motivación para las pruebas
 Nuevas técnicas de diagnóstico en
línea y fuera de ella
 Casos de Estudio
 Pruebas disponibles en Fábrica
 Descripción de equipos y
capacidad de pruebas

3. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
GENERALIDADES
Motivación
DETERMINAR LA CALIDAD DEL PRODUCTO BASADOS
EN LA EVALUACION PROGRESIVA DE SUS
COMPONENTES.
DETERMINAR EL CUMPLIMIENTO DE LAS
EXIGENCIAS DEL CLIENTE Y LAS NORMAS.
NORMAS
•ANSI
•IEC
•SEGÚN PAIS
•ESPECIFICACIONES
CLASIFICACION
•RUTINA
•TIPO
•ESPECIALES

4. GENERALIDADES
En fábrica
 Verificación requisitos de diseño.
 Pérdidas e Impedancias, distancias, Niveles de aislamiento (BIL), Sistema de
Aislamiento, Diseño térmico, etc..
 Verificación requisitos de fábrica.
 Bobinas, Sistema de aislamiento estructural, ensamble del núcleo,
procesamiento, accesorios, sistema de refrigeración, etc.
 Establecer referencias para pruebas futuras.
 Elaboración de reportes (protocolos en informes).
 Verificación requisitos de norma
 IEEE/ANSI, IEC, etc.
 Verificación requisitos del cliente
 Condiciones especiales de carga
 Sistema de Aislamiento
 Características adicionales
 Requerimientos especiales

5. GENERALIDADES
En sitio
 Normalidad en el transporte.
 Análisis de las vibraciones impresas en el registrador de impactos.
 Comprobar la adecuada condición antes de energizar.
 Descartar desviaciones entre el desarme y posterior ensamblaje de la unidad.
 Registrar las condiciones en fechas predeterminadas o circunstancias
especiales
 Condiciones actuales
 Análisis históricos.

6. CLASIFICACION DE PRUEBAS
SEGUN NORMA ANSI
ENSAYO RUTINA DISEÑO OTRA
Pérdidas Auxiliares por refrigeración 115 kV≥Um≥765 kV
Resistencia de Aislamiento 115 kV≥Um≥765 kV
Capacidad y Tangente delta 115 kV≥Um≥765 kV
Relación de Transformación, polaridad y grupo vectorial 115 kV≥Um≥765 kV
Resistencia de devanados 115 kV≥Um≥765 kV
Impulso de Maniobra UH≥345 kV
Impulso Atmosférico 115 kV≥Um≥765 kV
Tensión Aplicada 115 kV≥Um≥765 kV
Tensión Inducida 115 kV≥Um≥765 kV
Descargas Parciales 115 kV≥Um≥765 kV
Pérdidas en Vacío, Sobreexcitación 110% y medida de corrientes de excitación 115 kV≥Um≥765 kV
Nivel de Ruido 115 kV≥Um≥765 kV
Impedancia de Secuencia Cero
Pérdidas en Carga y tensión de Cortocircuito 115 kV≥Um≥765 kV
Calentamiento
Capacidad de Cortocircuito

7. CLASIFICACION DE PRUEBAS
SEGUN NORMA IEC
Tipo de
Devanado
Tensión Máxima
Impulso
[LI]
Maniobra
[SI]
Inducida Larga
Duración
[ACLD]
Inducida corta
duración
[ACSD]
Aplicada
[AC]
Aislamiento
Uniforme
Um<72,5kV
Tipo
Nota 1.
no aplica
No aplica
Nota 1.
Rutina Rutina
Aislamiento no
Uniforme
72,5<Um<170kV Rutina no aplica Especial Rutina Rutina
170<Um<300kV Rutina
Rutina
Nota 2.
Rutina
Especial
Nota 2.
Rutina
Um>300 kV Rutina Rutina Rutina Rutina Rutina
Nota 1. En algunos países el requerimiento es diferente
Nota 2. Si la prueba ACSD está especificada, la prueba SI no se requiere. Esto debe ser especificado
en la oferta

8. RESISTENCIA DE AISLAMIENTO O MEGGER
UTILIDAD
i. Se realiza para verificar el estado de secado del aislamiento, esta
prueba nos puede dar información sobre el estado de los
aisladores y aterrizado del núcleo.
REQUERIMIENTOS
i. Aplicar tensión DC.
ii. Temperatura cercana a 20°C (o referida).
iii. Tiempo adecuado antes de medir.
MÉTODOS
i. Voltímetro – Amperímetro
ii. Megaohmetro
NORMAS
i. ANSI/IEEE C57.12.90- 2006. (10.11)
ii. IEC 670076-1.2004 (10.1.3) menciona.

9. CAPACITANCIA Y TANGENTE DELTA DEL
TRANSFORMADOR
UTILIDAD
i. CAPACITANCIA: Movimiento de los devanados.
ii. TANGENTE: Calidad del aislamiento.
 Se realiza a Transformadores, Aisladores y Aceites
REQUERIMIENTOS
i. Tensión 5 kV ó 10 kV AC.
ii. Temperatura cercana a 20°C (o referida).
iii. Frecuencia cercana a la nominal.
MÉTODOS
i. Puente Schering
NORMAS
i. ANSI/IEEE C57.12.90- 2006. (10.10)
ii. IEEE 62-1995. (6.1.6)
iii. IEC 670076-1.2004 (10.1.3).

10. CORRIENTES DE EXCITACIÓN MONOFÁSICA
UTILIDAD
i. Conexiones eléctricas mal hechas,
ii. Cortos entre espiras
iii. Problemas del cambiador de tap
iv. Posibles problemas del núcleo y del devanado.
REQUERIMIENTOS
i. Tensión 5 kV ó 10 kV AC.
ii. Frecuencia cercana a la nominal.
MÉTODOS
i. Voltímetro, Amperímetro, Vatímetro
NORMAS
i. ANSI/IEEE C57.12.90- 2006. (8.1)
ii. IEEE 62-1995. (6.1.3) Campo

11. RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN - TTR
UTILIDAD
i. Confirmar la relación de espiras de placa y de diseño.
ii. Descartar la existencia de cortocircuitos entre espiras o bobinas
iii. Detectar anomalías en conmutador de derivaciones
iv. Complementa el ensayo de corrientes de excitación monofásica.
REQUERIMIENTOS
i. Frecuencia nominal, tensión AC.
ii. Frecuencia cercana a la nominal.
MÉTODOS
i. Dos voltímetros
ii. Puente de relación
NORMAS
i. ANSI/IEEE C57.12.90- 2006. (7)

12. RESISTENCIA DE DEVANADOS
UTILIDAD
i. Cálculo de las pérdidas ohmicas en el conductor del devanado I2R.
ii. Determinación de la temperatura de los devanados en las pruebas de
calentamiento.
iii. Verificar que no existen conexiones flojas o abiertas en el devanado.
iv. Verificar la calidad de las soldaduras (conexiones) en los devanados.
REQUERIMIENTOS
i. Fuente de DC sin rizado.
ii. Posición del Tap.
iii. Corrección por temperatura.
MÉTODOS
i. Caida de Tensión.
ii. Puente
NORMAS
i. ANSI/IEEE C57.12.90- 2006. (5)
ii. IEC 67076-1.2004 (10.2)

13. IMPEDANCIA DE SECUENCIA ZEROIMPEDANCIA DE SECUENCIA ZERO

14. PERDIDAS EN VACIO (Po) Y CORRIENTE DE
EXCITACION
Conceptos:
•Las pérdidas en vacío (sin carga) son la energía que se pierde en el
núcleo debido al flujo magnético cambiante.
•Las Po no se ven afectadas por la posición del conmutador (esto para
transformadores de inducción constante, lo cual no ocurre en
transformadores con Booster o de inducción variable).

15. PERDIDAS EN VACIO (Po) Y CORRIENTE DE
EXCITACION
Objetivos:
• Registrar las magnitudes de pérdidas y corrientes a una tensión y
frecuencia establecidas.
• Verificar la operación del transformador a su tensión nominal.
• Verificar la operación del conmutador bajo carga.
• Verificar el cumplimiento de las pérdidas en vacío ofrecidas al cliente.

16. PERDIDAS EN VACIO (Po) Y CORRIENTE DEPERDIDAS EN VACIO (Po) Y CORRIENTE DE
EXCITACION (Io)EXCITACION (Io)
Io
Un
Se toman medidas al 80, 90, 100, 110% de la tensión nominal (Un)

17. MEDICION DE RUIDO AUDIBLE (ANSI C 57.12.90 IEC 60076-10)
Objeto de la prueba
El objeto de la prueba es verificar que el nivel de ruido del
transformador cumpla los requerimientos del cliente ó en su defecto los
de la normas acordadas (NEMA). Por solicitud del cliente se realiza
también el análisis del espectro del sonido indicando la magnitud de
los componentes del sonido. (medidos en un ancho de banda
especificado) como función de la frecuencia.

18. PERDIDAS EN CARGA (Pk) Y TENSION DE
CORTOCIRCUITO
Conceptos:Conceptos:
•Las pérdidas en carga son las generadas por la circulación de corriente
por los devanados.
•Están compuestas por : I2
R o circulación de corriente a través de los
devanados y pérdidas adicionales originadas por corrientes parásitas en
prensas, apantallamientos magnéticos y paredes del tanque.
•De igual manera el voltaje resultante de la circulación de corrientes
nominales (impedancia) consta de dos componentes. Resistiva y
reactiva, predominando esta última.

19. PERDIDAS EN CARGA (Pk) Y TENSION DE
CORTOCIRCUITO
Objetivos:
•Verificar que los valores de pérdidas e impedancia cumplen lo ofrecido y
los valores de diseño.
•Emplear la condición de máximas pérdidas para evaluar el
calentamiento del transformador dependiendo de la etapa de
refrigeración en uso.
•Verificar la operación del conmutador bajo carga.

20. PERDIDAS EN CARGA Y TENSION DE
CORTOCIRCUITO
In(BT)
In(AT)

21. PERDIDAS EN CARGA Y TENSION DE
CORTOCIRCUITO

22. ENSAYO DE ELEVACION DE
TEMPERATURA
OBJETIVOS:
•Determinar las temperaturas de aceite, devanado y punto caliente, en
cada una de las etapas de refrigeración.
•El ensayo se realiza para la condición de mayores pérdidas.
•El ensayo verifica el buen funcionamiento del equipo de refrigeración.

23. ENSAYO DE TENSION CALENTAMIENTO
Ejecución de la prueba.
La prueba se realiza utilizando el método de corto circuito. La
temperatura de los devanados es determinada por el método de la
resistencia. La prueba se realiza de la siguiente manera:
• Inicialmente se mide la resistencia en frío de los devanados.
• Determinación de la temperatura de elevación del aceite.
• La potencia que se suministra al transformador bajo pruebas es igual a
la suma de las pérdidas en vacío y las pérdidas con carga en la
derivación donde se desea conocer la elevación de temperatura
(Generalmente, la derivación de mayores pérdidas).

24. ENSAYO DE CALENTAMIENTO
°C
t(hora)
t1 t2 t3t0 t4 t5
Estabilización
Corte 2.

25. ENSAYO DE CALENTAMIENTO
La temperatura promedio de los devanados. (Θdev.med)
Θdev.med = (Rc/Rf)*(Kmat+ Tdev.frio) - Kmat
Donde:
Rc - Valor de la resistencia en caliente.
Rf - Valor de la resistencia en frío.
Kmat - Coeficiente del material de los devanados. (235 cobre, 225 Aluminio)
Tdev.frio - Temperatura del devanado en frío.
La temperatura promedio de los devanados sobre el aceite ( gradiente Θdev-ac)
Θdev-ac = Θdev.med - Θelev.med©
La temperatura promedio de los devanados sobre el ambiente (Θdev-amb)
Θdev-amb = Θelev.med(a) + Θdev-ac

26. ENSAYO DE CALENTAMIENTO
La elevación de la temperatura del aceite puede ser calculada partiendo de los
valores de las temperaturas registradas cuando se alcanza el equilibrio
térmico.
La elevación superior del aceite Θelev
Θelev(a) = θac.sup - θamb
Donde:
θac.sup - Temp. superior del aceite.
θamb - Temp. ambiente.
La elevación promedio del aceite Θelev.med(a)
Θelev.med(a) = θac.sup - ((θrad sup- θrad.inf)/2)- θamb
Donde:
θrad sup - Temp. Super. radiador.
θrad.inf - Temp. Infer. radiador.

27. ENSAYO DE TENSION CALENTAMIENTOENSAYO DE TENSION CALENTAMIENTO
Determinación de la temperatura de los devanados.
Sin interrumpir la alimentación de la prueba, se reduce la corriente
circulante al valor de la corriente nominal y se mantiene por una hora.
La temperatura de los devanados Θdev.med
Temperatura promedio del aceite antes de la medida de la resistencia en
caliente
Θelev.med© = θac.sup© - (θrad sup©- θrad.inf©)/2
Donde:
θac.sup© - Temperatura superior del aceite antes del corte.
θrad sup© - Temperatura superior del radiador antes del corte
θrad.inf© - Temperatura inferior del radiador antes del corte.

28. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
NUEVAS TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO
Un paso adelante en la gestión del activo
• SFRA (Análisis del barrido de la respuesta en frecuencia)
• Espectroscopia Dieléctrica (Respuesta en
frecuencia del dieléctrico)
• Medición de Descargas Parciales
• Otras

29. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
Modelo del Transformador para SFRA

30. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
Sweep Frequency Response Analysis (SFRA)
-5.0
-3.0
-1.0
1.0
3.0
5.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Transformer
1
N
1
U
1
V
1
W
complex RLCM-Network -5.0
-3.0
-1.0
1.0
3.0
5.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
φ (f1)
U0*(1-K(f1))
1/f1
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Frequenz f
K(f)
MHz
-3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Frequenz f
φ (f)
MHz
sine generator
(variable frequency)
transfer function (magnitude) transfer function (phase)
K(f1) φ (f1)
frequency f frequency fH1 H2 H2 H3 H3 H1
f/Hz
1.000e+002 1.000e+003 1.000e+004 1.000e+005 1.000e+006
dB
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
H1 H2 H2 H3 H3 H1
f/Hz
1.000e+002 1.000e+003 1.000e+004 1.000e+005 1.000e+006
°
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
Magnitude Phase

31. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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SFRA Medición: Circuito de Medida

32. Alexander Santos R.
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SFRA: Transformador OK 33kV 10MVA
U V V W W U
f/Hz
1.000e+002 1.000e+003 1.000e+004 1.000e+005
dB
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10

33. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
SFRA: Después de falla Unidad 400kV 700MVA
N A N B N C
f/kHz
5 10 20 50 100 200 500 1000
dB
-60
-50
-40
-30
-20
-10

34. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
Que puede detectar el SFRA?
 Huella digital (Medición de Referencia) Importante!!!
 Cambios geométricos en el núcleo y/o en el devanado causados por
problemas en el transporte o debidos a fallas eléctricas:
i. Deformación del núcleo / Movimientos del núcleo (Aprietes)
ii. Aterrizamientos no intencionados del núcleo
iii. Falla del circuito magnético (Láminas cortocircuitadas)
iv. Movimientos estructurales de los devanados.
v. Deformación devanados - axial & radial
vi. Deformación plástica de los devanados
vii.Rotura o apertura de conexiones internas.
viii.Cortocircuitos entre devanados o entre espiras.

35. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
DEFORMACIÓN RADIAL (Bucleo)
Source: G. Bertagnolli, Short Circuit Duty of Power Transformers, ABB Trasformatori, Legnano

36. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
Devanado averiado (Moviento Axial)

37. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
NUEVAS TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO
Un paso adelante en la gestión del activo
• SFRA (Análisis del barrido de la respuesta en frecuencia)
• Espectroscopia Dieléctrica (Respuesta en
frecuencia del dieléctrico)
• Medición de Descargas Parciales
• Otras

38. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
Diseño del aislamiento del devanado
Medición del contenido de agua en el papel y el Pressboard
Fuente: Weidmann AG

39. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
Circuito Eléctrico del Aislamiento de los devanados
b. Modelo del
comportamiento
dieléctrico,
teniendo en cuenta
las características
de polarización y
conducción
d. Modelo
simplificado
teniendo en cuenta
los componentes
principales: Aceite,
barreras y
espaciadores.
a. Condensador de
placas: Modelo
del aislamiento del
transformador.
c. Parte de la
sección del
sistema principal
de aislmamiento
entre devanados de
AT y BT.
e: Modelo
Dieléctrico
completo para el
sistema de
aislamiento de los
transformadores.

40. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia
Frequency Domain Spectroscopy (FDS)
u
UX(t)UN(t) Z1
Z2
ZX CX, LXZNCN
0(t)
Rama de referencia Rama de medida
ICN ICX

41. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
NUEVAS TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO
Un paso adelante en la gestión del activo
• SFRA (Análisis del barrido de la respuesta en frecuencia)
• Espectroscopia Dieléctrica (Respuesta en
frecuencia del dieléctrico)
• Medición de Descargas Parciales
• Otras

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NOVIEMBRE 2010
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

43. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
Overpressure valve released 200l of oil
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

44. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
DC insulation resistance
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

45. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
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NOVIEMBRE 2010
No-load
current
Excitation Current
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
000 005 010 015 020
Taps
Io U
Io V
Io W
Angle of Excitation Current
-60.0°
-50.0°
-40.0°
-30.0°
-20.0°
-10.0°
0.0°
000 005 010 015 020
Taps
Phase (I) U
Phase (I) V
Phase (I) W
Taps
Taps
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

46. Alexander Santos R.
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Z0 (f) = R0 (f) + j X0 (f)
0.0Ω
1000.0Ω
2000.0Ω
3000.0Ω
4000.0Ω
5000.0Ω
6000.0Ω
0.0Hz 100.0Hz 200.0Hz 300.0Hz 400.0Hz 500.0Hz
R0 W17
R0 V17
R0 U17
0.0Ω
1000.0Ω
2000.0Ω
3000.0Ω
4000.0Ω
5000.0Ω
6000.0Ω
0.0Hz 100.0Hz 200.0Hz 300.0Hz 400.0Hz 500.0Hz
X0 W17
X0 V17
X0 U17
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

47. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
FRA (log view)
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

48. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010FRA (lin view zoomed)
Faulty B phase
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

49. Alexander Santos R.
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© Siemens AG 2009. All rights reserved.50
NOVIEMBRE 2010
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer
Optical fiber
MPD
600
MPD
600
Optical fiber
Measuring
electrode
Partial discharge measurement

50. Alexander Santos R.
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NOVIEMBRE 2010
Partial discharge measurement
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

51. Alexander Santos R.
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© Siemens AG 2009. All rights reserved.52
NOVIEMBRE 2010
Opened transformer
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

52. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
© Siemens AG 2009. All rights reserved.53
NOVIEMBRE 2010Melted screw
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

53. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
© Siemens AG 2009. All rights reserved.54
NOVIEMBRE 2010Melted steel with coppermarks
Fault on a 25 MVA Furnace Transformer

54. CASOS DE ESTUDIO

55. Alexander Santos R.
ET TR SCMQM
© Siemens AG 2009. All rights reserved.63
NOVIEMBRE 2010
Transformando conocimientos en soluciones