NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LA ......2014/08/20 · el otro en vacío (circuito abierto), cuando se aplica una tensión al transformador. • Genera corrientes parásitas

NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN DE TRANSFORMADORES DE

POTENCIA

Buenos Aires

Argentina

3 de Octubre - 2012

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Mañana� Conceptos básicos de los Transformadores

� Pruebas Eléctricas Regulares

� Pruebas Eléctricas Especiales I: Pruebas de Factor d e Potencia / Disipación

� Pruebas Eléctricas Especiales II: FDS - Espectroscopia en elDominio de Frecuencia

ESTRUCTURA DEL SEMINARIO

Dominio de Frecuencia

� Pruebas Eléctricas Especiales III: SFRA - Análisis de la Respuesta de Barrido de Frecuencia

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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

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Contenido:

➽ Seguridad

➽ Aplicación

➽ Características básicas

➽ Teoría elemental

➽ Características de diseño

➽ Consideraciones finales


➽ Consideraciones finales

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(Source: Waukesha)

Seguridad (I)


¡¡ Seguridad Ante Todo !!

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Seguridad (II)


¡¡ Seguridad Ante Todo !!Emplear SIEMPRE los elementos de protección adecuados

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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

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2) Asegurarse de conocer los elementos que están energizados

3) Verificar la proximidad hacia líneas energizadas

• Pueden inducir energía en equipos fuera de servicio4) Verificar y delimitar el área de pruebas

5) ¡NUNCA DEJE DE ESTAR ATENTO!

Seguridad (IV)


National Fire Protection Association - 70E: Electrical Safe Work Practices

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Aplicación (I)


� Los generadores producen cantidades variables de energía.Normalmente las estaciones de generación se encuentran a grandesdistancias de los centros de carga final.

� Los transformadores intervienen de una manera efectiva en eltransporte de energía en largas distancias con mínimas pérdidas:

• Elevación de las tensiones de generación

• Líneas de Transmisión de AT transportando energía a grandes

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• 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 dedistribución, 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 TransformadorGeneración Eléctrica

Cargas de Potencia Eléctrica

MT a BT + Líneas de

DistribuciónLíneas de

Distribución MT

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Transformadores

Aplicación (III)


El transformador es el equipo mas importante en la EstaciónTransformadora. Los equipos restantes son para Control; Medicióny Protección

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Características Básicas (I)


Tipos de Transformadores

� Transformadores de Plantas Generadoras

� Transformadores de Sistemas de Transmisión

� Transformadores Auxiliares

� Transformadores de Arranque

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� 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

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• 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 deenfriamiento.

� Sistema de Enfriamiento: ONAN/ONAF, etc.

� Temperatura de Incremento: 65ºC., 55ºC.

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� Número de Fases (monofásico o trifásico).

� Frecuencia del Sistema: 50 o 60 Hz.

� Tensiones nominales de todos los devanados (fase – fase) yrangos 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%

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• 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

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• 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

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• 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

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• 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)


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Teoría Elemental (I)


� Objetivo:

• Transferir energía desde la fuente hacia la carga.� Construcción:

• Dos conductores (primario y secundario) bobinados sobre un mismonúcleo, por ende aislados eléctricamente uno del otro.

1. Ley de Faraday: Una fuente deenergía aplica una corriente AC quepasa por el devanado primario,

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pasa por el devanado primario,produce una densidad de flujomagnético que varía en el tiemposobre el núcleo.

2. Este flujo también pasa a través delsecundario induciendo una tensión enel secundario.

3. Cuando la carga esta conectada alsecundario, la corriente fluye según laimpedancia 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

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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 puedemanejar sin importar el valor de corriente aplicada

• Depende únicamente de las propiedades del material del núcleoy su diseño: Permeabilidad Magnética y Temperatura.

� Corriente de Excitación

• La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado estando

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• La corriente que fluye a lo largo del conductor bobinado estandoel otro en vacío (circuito abierto), cuando se aplica una tensión altransformador.

• Genera corrientes parásitas en el núcleo (Eddy) y pérdidas porhistéresis.

• 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 serecupera cuando éste es desmagnetizado.

• Mientras mas ancho y alto el lazo de histéresis, mayores laspérdidas por histéresis que tiene un material.

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Teoría Elemental (V)


� Pérdidas Totales

a) Resistencia de los Devanados

• Debido a la resistencia de losconductores

b) Reactancia de Fuga

• Debido a la fuga de flujo

c) Resistencia del Núcleo

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c) Resistencia del Núcleo

• Pérdidas por histéresisy corrientes parásitas

Calor (Calentamiento)

Teoría Elemental (VI)


� Modelo eléctrico de una unidad monofásica

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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

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� 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

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(Source: Alconex) (Source: Waukesha Transformer)

Características de diseño (III)


El Núcleo Magnético

➽ Objetivo: establecer el canal del Flujo Magnético

➽ Material: Acero eléctrico M3, M4

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(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

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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..

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Insulating Structure Inside Power Transformer(Source: 2005 Weidmann Conf.)

Características de diseño (VI)


Material Aislante (Secundario)

➽ Objetivo: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantiene alejada lahumedad.

➽ Material: Aceite Mineral, Natural, Silicona, Air, Nitrógeno, SF6.

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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)

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Características de diseño (VIII)


Bushings o pasamuros

➽ Objetivo: Interconectar los barras (ET) con los devanados deltransformador.

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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

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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..

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Mantenimiento de Transformadores (I)


En un mundo perfecto e ideal…..

Los componentes del transformadortendrían CERO pérdidas y NUNCAfallan!

• Conductores ideales

• Permeabilidad del núcleo infinita: el 100% del flujo se comparte entre

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• 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 transformadortienen pérdidas y además FALLAN!

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No es posible que el 100% del flujo que se comparta sólo entre losdevanado acoplados.

• No todo el flujo magnético se concentra en el núcleo deltransformador (fuga de flujo).

• No existe resistencia de aislamiento infinita y/o el factor de potenciadel 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)


DeterioroDeterioro

EnvejecimientoEnvejecimientoDegradación

del AislamientoA

gent

es

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SolicitacionesSolicitaciones

Aislamiento

Mantenimiento:

Pruebas y Ensayos

Age

ntes

Mantenimiento de Transformadores (IV)


¿Cuales son los principales agentes de degradación?

➽Estrés dieléctrico: generado entre las capas aislantes de conductoresa diferentes potenciales eléctricos.

➽Estrés térmico: generado fundamentalmente por las pérdidas(¿cuáles?) en cada uno de los materiales que conforman la estructuradel transformador.

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➽Estrés mecánico: generado en aislantes y conductores comoconsecuencia de fuertes impactos durante el transporte y montaje y poresfuerzos 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 ysubstancias corrosivas) que degradan la cuba, bushings, juntas, etc.

Mantenimiento de Transformadores (V)


¿Qué es el mantenimiento?

➽Es el conjunto de las actuaciones técnicas y administrativasque aseguran la optimización de la efectividad de losequipos y productos industriales.

¿Cuáles son las filosofías?

➽Mantenimiento “ 0” : Se reempleza cuando se avería

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➽Mantenimiento “ 0” : Se reempleza cuando se avería

➽Mantenimiento basado en el tiempo: realizado a períodos de tiempodeterminados.

➽Mantenimiento basado en la condición: realizado en períodos detiempo flexibles, basado en diferentes parámetros, por ejemploantigüedad, relevancia del transfromador, etc.

Mantenimiento de Transformadores (VI)


¿Cuáles debieran ser los objetivos del mantenimiento?

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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, loscortocircuitos, los movimientos mecánicos, que podrían suceder en elservicio normal, ocasionan un fallo eléctrico en el transformador.

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Mantenimiento de Transformadores (VII)“Curva de la bañera” o “Perfil de probabilidades de fallo”

Tasa

de

fallo

s

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Tasa

de

fallo

s

Período de mortalidad

infantil

Tiempo

Período de vida útil Período de envejecimiento


Mantenimiento de Transformadores (VII)Modelo básico de falla

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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

% C

apac

idad Enemigos =

Esfuerzos &

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Años adicionales de servicio!

Pruebas de Diagnóstico

Tiempo

% C

apac

idad

Esfuerzos & Tiempo


Mantenimiento de Transformadores (IX)Estrategias de Acción

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Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003

Fallas del aislamiento

13%

Diseño / Materiales

3%

Contaminación del aceite

6%

Sobrecarga3%

Desconocidos/ Restantes

24%

HSB

Fallas del aislamiento

26%

Fuego / Explosión

3%

Descargas en líneas

4%

Inundaciones2%

Humedad1% Desconocidos/

Restantes16%

IMIA


Mantenimiento de Transformadores (X)Indices de falla

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Mantenimiento / Operación inadecuados

11%

Conexiones flojas6%

Descargas atmosféricas

12%

Sobretensiones22%

Diseño / Materiales

24%

Contaminación del aceite

4%Sobrecarga5%

Mantenimiento / Operación

inadecuados5%

Conexiones flojas7%

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

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Pruebas con Equipo Fuera de Servicio

PRUEBAS ELÉCTRICAS

Mantenimiento de Transformadores (XII)


� Dependiendo del nivel de importancia del equipo (tra nsformador)

• Potencia - <2500 kVA, >50 MVA, etc.

• Importancia de la carga – generación

� No-Planificada

• Luego de una falla

Programación de pruebas:

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• 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 lafábrica; luego en la puesta en servicio, durante elmantenimiento, después de un fallo en el sistema o ante lacorazonada del equipo de mantenimiento.

10 Recomendaciones básicas:

50


Mantenimiento de Transformadores (XIV)


2 - Normas:

• Cada ensayo puede requerir de una diferente estrategia omentalidad, lo cual puede implicar considerar diferentes normas ocriterios, buscando confirmar o desestimar determinadosdiagnósticos.


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• 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, Powerand Regulating Transformers”

� IEC 60076-1, “Power transformers” - Part 1, 2, 3, 4 ,56, 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 ofElectric Power Apparatus - Part 1: Oil-Filled”

� IEEE C57.93-2007: “Guide for Installation and Maintenance of Liquid-Immersed Power Transformers”


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� IEEE PC57.152 D5.1: “Draft Guide for Diagnostic Field Testing of FluidFilled Transformers, Regulators and Reactors”

� CIGRE Broshure 227 “Life Management Techniques for PowerTransformer”.

� CIGRE Broshure 445 “Guide for Transformer Maintenance”

Mantenimiento de Transformadores (XVI)


3 - Trabajar cómodo y disponer de los manuales de los in strumentos

• Es fundamental sentirse relajado, cómodo, seguro y consciente delos ensayos que se realizarán sobre el transformador.

• “Ante cualquier duda, consulte al manual del instrumento”

4 - Identificar los riesgos


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4 - Identificar los riesgos5 - Usar instrumentos calibrados y certificados6 - Utilizar los elementos de protección personal7 - Asegurar la puesta a tierra de todas las conexiones para tal fin8 - Inspeccionar visualmente el área de ensayo9 - Estar familiarizado con el ensayo10 - 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

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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

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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 permitatomar las decisiones correctas con el fin de evitar los fallos y ladegradación no controlada.

� La adopción de las decisiones correctas evita las pérdidas de dinero.� En cualquier caso las pruebas eléctricas deben estar integradas.

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Resistencia de

Arrollamientos

Aislamiento

Tan delta

FRA


MEGGEREQUIPOS DE PRUEBA

DIAGNÓSTICO Y PRUEBAS DE TRANSFORMADORES

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Documents

NUEVAS TECNOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE LA ......2014/08/20 · el otro en vacío (circuito abierto), cuando se aplica una tensión al transformador. • Genera corrientes parásitas