Megger diagnostico de transformadores

Buenos Aires, 27 de septiembre de 2011

1

Training Transformers v1 – 27/sep/2011

TÉCNICAS MODERNAS DE DIAGNÓSTICO EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA

www.artec-ingenieria.com

➽ Introducción

➽ Capacitancia y factor de disipación (DELTA 4000)

➽ Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRAX 101)

➽ Espectroscopia Dieléctrica (IDAX 300)

Temario de la reunión:

2


Técnicas modernas de diagnóstico en Transformadores de Potencia


➽ Es el equipo más importante y costoso de la ET.

➽ La vida del transformador esta definida por la vida de su aislamiento.

➽ Las tareas de mantenimiento se orientan a determinar la vida del aislamiento.

Importancia del Transformador de Potencia en los SisPot

3



Fuente: Siemens


➽ Es el conjunto de las actuaciones técnicas y administrativas que aseguran la optimización de la efectividad de los equipos y productos industriales.

➽ Tiene por objeto minimizar los fallos y agilizar las reparaciones buscando su óptimo funcionamiento.

➽ Tipos de mantenimiento: Correctivo; Preventivo; Predictivo y Proactivo.

➽ Las tareas de mantenimiento se basan en controles y mediciones sistemáticas, que deben ser planificadas de acuerdo a la importancia y probabilidad de fallo.

➽ Las evolución del comportamiento de cada parámetro se debe analizar progresivamente; adoptando valores de referencia y desviaciones recomendadas y/o normalizadas.

Mantenimiento

4




Mantenimiento: Modelo Básico de Falla

5



Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003


Mantenimiento: estrategias de acción

6



Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003


Principales componentes➽ Conductores Eléctricos / Devanados

➽ Núcleo Magnético

➽ Aislamiento

Primario

Secundario

➽ Conmutador / Regulador

➽ Bushings o pasamuros

➽ Sistema de enfriamiento

➽ Sistema de protecciónFuente: Siemens

7




Conductores Eléctricos / DevanadosFunción: conducir la corrienteMaterial: cobre o aluminio

8




Núcleo MagnéticoFunción: Establecer el canal para el flujo magnéticoMaterial: Hierro silicio

9




Material Aislante PrimarioFunción: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánicoMaterial: Papel Kraft, papel crepe, etc.

10




Material Aislante SecundarioFunción: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantener alejada la humedad.Material: Aceite mineral, silicona, aire, nitrógeno, SF6

11




Índices de fallas

HSB: Harford Steam Boiler Insurance Company IMIA Working Group: “Analysis of Transformer Failures” -International Association of Engineering Insurers 36th Annual Conference – Stockholm, 2003

12




Análisis del Aislamiento➽ Tomando como referencia el AISLAMIENTO, podemos clasificar los ensayos y

controles en dos tipos: directos e indirectos

➽ Ensayos “Directos”:Capacitancia y tgδ (factor de disipación, factor de potencia)

Resistencia de aislamiento

Rigidez dieléctrica del aceite

Capacidad y tgδ del aceite

Espectroscopia en el dominio de la frecuencia

Medición de las descargas parciales

➽ Ensayos “Indirectos”:

Resistencia de arrollamientos

Relación de transformación; polaridad y fase.

Análisis de respuesta en frecuencia

Corriente de excitación

13



Capacitancia y tgδ (factor de disipación, factor de potencia)


Análisis de respuesta en frecuencia


Capacitancia y tgδ de Arrollamientos y Bushings

14




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (I)➽ Objetivo

El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tgδ (factor de disipación) de las diferentes combinaciones del sistema de aislamiento del transformador.

➽ Defectos detectables

Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios físicos en su estructura al cabo de solicitaciones electromecánicas

El factor de disipación también es sensible a cambios en la estructura del aislamiento ocasionados por contaminación, humedad o envejecimiento.

En cualquiera de los casos, el factor de disipación da una idea de las pérdidas dieléctricas del aislamiento.

15




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (II)➽ FundamentosEl valor de la capacitancia de un capacitor depende de las características del material

dieléctrico y de su geometría. Si las características del material dieléctrico o la configuración del capacitor cambia, indefectiblemente cambiará el valor de la capacitancia.

La relación entre la componente resistiva y la componente capacitiva es la denominada tgδ o factor de disipación.

La relación entre la corriente resistiva y la corriente total que circula por el dieléctrico se denomina factor de potencia.

16




0 10 20 30 40 50 60 70 80 900

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Fact

or d

e P

oten

cia

/ Fac

tor d

e D

isip

ació

n

Ángulo fi [º]

Factor de PotenciaFactor de Disipación

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (III)

➽ Metodología de medición

17




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (IV)


18




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (V)➽ Metodología de medición

Para un diagnóstico integral del aislamiento es recomendable medir las capacitancias y tgδ asociadas para cada una de los aislamientos intervinientes:Arrollamientos Primarios y SecundariosArrollamientos Primarios y TerciariosArrollamientos Secundario y TerciariosArrollamientos y cuba

AR

RO

LLA

MIE

NTO

SP

RIM

AR

IOS

AR

RO

LLA

MIE

NTO

SS

EC

UN

DA

RIO

S

AR

RO

LLA

MIE

NTO

STE

RC

IAR

IOS

CUBA(a tierra)Csg

CstCps

Cpt

Cpg Ctg

19




Capacidad y tgδ de los Arrollamientos (VI)➽ Metodología de medición

20




Capacidad y tgδ de los Arrollamientos (VII)➽ Metodología de medición

21




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (VIII)➽ Metodología de medición

Algunos criterios generales:

Se aplican 10 kVca y se miden los valores de la capacitancia y tgδ.

Por qué razón aplicar 10 kVca en un Transformador cuya tensión nominal primaria es, por ejemplo 132 kV?

22



En sistemas de aislamiento papel/aceite en “BUENAS” condiciones la tgδ NO VARÍA con la tensión.

¿Como detectar la dependencia de la tgδ con la tensión?

Se realizan mediciones para diferentes niveles de tensión, y se determina el factor de dependencia de la tgδ con la tensión: TIP-UP


Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (IX)➽ Resultados

23




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (X)➽ Dependencia de la temperatura

Las características del factor de disipación un dieléctrico son dependientes de la temperatura.

Es fundamental registrar los valores de temperatura (¿Cuál temperatura?), para poder referirlos a una temperatura de referencia (normalmente 20ºC) y poder de comparar las desviaciones.

¿Como corregir los valores de factor de disipación con la temperatura?

24




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XI)➽ Corrección de temperatura: Criterio IEEE Std C57.12.90-2006

25



tgδ (20 ºC) = tgδ (xºC) / K

¿Cuál es la temperatura del sistema aislante al momento de las pruebas?


Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XII)➽ Dependencia de la temperatura

26




Capacitancia de los Arrollamientos (XIII)

➽ Interpretación de los resultados

a) Incrementos en el factor de potencia pueden deberse a:

Contaminación en el sistema de aislamiento

Deterioro Químico

Daños por sobrecalentamiento

Presencia de humedad

b) Si el sistema de aislamiento es dependiente de la tensión aplicada, la prueba tip-up puede identificar ionización, carbonización en el aceite, contaminación en el papel o aceite.

c) Variaciones en capacitancia indican:

Deformaciones mecánicas en las estructuras de núcleo/bobinas

Humedad

27




Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XIV)


Factor de disipación [%] Estado

0.5 Bueno

0.5 - 0.7 Deterioro normal

0.7 - 1 Requiere investigación

> 1 Deterioro excesivo

28



Para analizar las tendencias de los valores de la capacitancia, se compraran las sucesivas mediciones respecto a los valores de referencia, cuyas desviaciones no debieran ser superiores al 10%.


Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XIV)


Factor de potencia [%]

Estado

0.5 Bueno

0.5 - 0.7 Deterioro normal

0.7 - 1 Requiere investigación

> 1 Deterioro excesivo

29




Capacitancia y tgδ de Bushings

30




Capacitancia y tgδ de los bushings (I)

➽ Objetivo

El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tgδ (factor de disipación) del bushing (C1 y C2).


Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios físicos al cabo de solicitaciones electromecánicas.

Puede determinarse envejecimiento del sistema de aislamiento del bushing.

Es posible detectar contaminación y grietas en la estructura de la porcelana.

31




Capacitancia y tgδ de los bushings (II)

➽ Fundamentos

Estructura interna de los bushings:

32



Fuente: IEEE P62-1995


Capacitancia y tgδ de los bushings (III)


C1

C2

TAP

M C1

C2

TAP

M

C1

C2

TAPM

33




Capacitancia y tgδ de los bushings (IV)


En los casos en que el bushing no cuente con TAP pude emplearse el método del “collar caliente”.

Este método consiste en colocar una banda polimérica sobre la superficie del bushing; de forma de conformar un electrodo para la aplicación de tensión.

34




Capacitancia y tgδ de los bushings (V)


¿Corrección por temperatura?

35




Capacitancia y tgδ de los bushings (VI)➽ Interpretación de los resultados

Para bushings de alta tensión, los valores de tgδ debieran mantenerse por debajo al 1% en cualquier condición.

Discrepancias superiores al 10% de los valores de capacidad, pueden ser indicativos de cambios importantes en la estructura del aislamiento del bushing.

36




Capacitancia y tgδ: Resumen

➽ Se miden diferentes combinaciones del aislamiento (arrollamientos y bushings); el uso de guardas es fundamental.

➽ La prueba TIP-UP es muy útil para determinar contaminación del sistema aislante.

➽ Para un correcto análisis del factor de disipación deben realizarse correcciones por temperatura.

37



si no

✔

✔

✔

DELTA 4000/4300

¿Ejecución Automática?


Delta 4000/4300

➽ Tensión de salida: 12 kV.

➽ Corriente máx (4 min) 300 mA (3,6 kVA) y cont. 100 mA (1,2 kVA).

➽ Alta inmunidad al ruido externo; genera su propia señal de prueba.

➽ Frecuencia de la señal de ensayo: 45-70 Hz (12 kV); 15-400 Hz (4 kV); 1-500 Hz (250 V).

➽ Modo de operación “Manual” y “Automático”.

➽ Ensayo de TIP-UP incorporado.

➽ Corrección automática de la temperatura.

38




Capacitancia y tgδ

39




Capacitancia y tgδ del aceite

40




Capacitancia y tgδ del aceite (I)

➽ Objetivo

El objetivo de este ensayo es determinar la tgδ del aceite.

El factor de disipación es una medida de la potencia de pérdida cuando un líquido aislante eléctrico es sometido a un campo eléctrico de corriente alterna.


Presencia de humedad

Presencia de elementos contaminantes

41




Capacitancia y tgδ del aceite (II)


Valores sugeridos para aceites en servicio por IEEE C57.106.2006 (ASTM 924).

42




Capacitancia y tgδ del aceite (III)

43




Análisis de Respuesta en Frecuencia

44




Análisis de Respuesta en Frecuencia (I)

➽ Objetivo

El objetivo de este ensayo es determinar la curva de respuesta en frecuencia de la función de transferencia del conjunto eléctrico - dieléctrico - magnético - mecánico del transformador.


Movimientos en el núcleo magnético.

Daños en los arrollamientos (pérdida de aislamiento, deformaciones, etc.).

Disminución del ajuste mecánico y/o movimientos en los arrollamientos.

Cambios físicos en la estructura mecánica del conmutador bajo carga.

45




Análisis de Respuesta en Frecuencia (II)

➽ Fundamentos

46




Análisis de Respuesta en Frecuencia (III)

➽ Fundamentos: Respuesta de Amplitud

47




Análisis de Respuesta en Frecuencia (IV)

➽ Fundamentos: Respuesta de Fase

48




Análisis de Respuesta en Frecuencia (V)

➽ Metodología del ensayo

Una serie de señales de baja tensión (10 V pico-pico) se aplican al transformador en varias frecuencias (20 Hz – 2 MHz).

Se mide amplitud y fase en las señales de entrada y salida.

La relación entre las dos señales provee la respuesta de frecuencia o función de transferencia del transformador.

De la función de transferencia se pueden derivar una serie de términos como una función de frecuencia:

a) Magnitud

b) Fase

c) Impedancia / admitancia

d) Correlación

49




Análisis de Respuesta en Frecuencia (VI)


El circuito RLC posee una impedancia diferente a diferentes frecuencias.

La función de transferencia para todas las frecuencias es la medida de laimpedancia efectiva del circuito RLC.

Cualquier deformación en la geometría del sistema, cambia el circuito RLC, el cual a su vez cambia su impedancia y por ende, su función de transferencia a diferentes frecuencias.

Estos cambios dan una advertencia sobre posibles daños en el transformador.

50




Análisis de Respuesta en Frecuencia (VII)


Rangos de frecuencia para medición SFRA adoptados por CIGRE 342.

51




Análisis de Respuesta en Frecuencia (VIII)


Otros estándares.

52




Análisis de Respuesta en Frecuencia (IX)


¿Cuándo y cómo?... Tiempo, tipo constructivo, y diseño!

53




Análisis de Respuesta en Frecuencia (X)➽ Metodología del ensayo1) Basadas en Tiempo (Las pruebas se levan a cabo en el mismo transformador en

diferentes periodos de tiempo)Esta es la prueba mas eficaz.Desviaciones entre curvas son fácil de detectar.

2) Basadas en el Tipo Constructivo (Las pruebas se llevan a cabo en transformadores de un diseño similar)Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible modificaciones.Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad.

3) Basado en Diseño (Las pruebas se realizan en los terminales de los devanados y boquillas de idéntico diseño)Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible modificaciones.Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad.

54




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XI)


Configuración del ensayo

55




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XII)


Configuración del ensayo: circuito de medición

56




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XIII)


Configuración del ensayo: La conexión de puesta a tierra asegura la repetitividad de la prueba en altas frecuencias

57




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XIV)


Analisis de FRA - Arrollamientos de AT kV - Tap en "- 6"

-50,00

-40,00

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

1 10 100 1000Frecuencia [KHz]

Tran

sfer

enci

a [d

B]

Fase UFase VFase WFase U 2Fase V 2Fase W 2

58




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XV)


Transformador en buen estado

59




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVI)


Transformador con serios problemas

60




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVII)

➽ FRAX 101: Interpretación de los resultados, “Analyzers”

61




Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVIII)

62





63




FDS: Fundamentos (I)

➽ ¿Que es la Espectroscopia Dieléctrica?

Es el estudio a partir del cual se obtiene la respuesta de los materiales cuando se les aplica un campo eléctrico variable en el tiempo.

En la Espectroscopia Dieléctrica se analiza la respuesta de una magnitud macroscópica a partir de la cual se obtiene información de la estructura microscópica de los materiales.

FDS: Frequency Domain Spectroscopy

64




FDS: Fundamentos (II)➽ Aplicación de un campo eléctrico: Conducción y Polarización

65


+

-

+

-

+

-

+

-

++++

++++

----

----

ConducciónDesplazamiento de cargas libres

PolarizaciónDesplazamiento de dipolos



FDS: Fundamentos (III)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización

a) Polarización electrónica: el átomo se distorsiona y los electrones se concentran a un lado del núcleo, cerca del extremos positivo del campo.

66


+

--

- -

-

-

--

+

---

--

---


E


FDS: Fundamentos (IV)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización

b) Polarización iónica: las uniones entre iones se deforman elásticamente; redistribuyéndose la carga dentro del material.

67


+-

+ -

-

+

E

+

-



FDS: Fundamentos (V)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización

c) Polarización molecular: Al aplicar el campo eléctrico en materiales que contienen dipolos naturales, dichos dipolos giran hasta alinearse con el campo aplicado.

68


E

+

-

+

-

+

+

-

++

-

+

+

-

+

+

-

+



FDS: Fundamentos (VI)➽ Principales mecanismos que producen la Polarización

d) Polarización interfacial: Como consecuencia de la presencia de impurezas se produce una carga eléctrica en las interfaces de dos materiales.

69


E

+ - +

-

+-

+

- +

-Material A

Material B



FDS: Fundamentos (VII)

70




FDS: Fundamentos (VIII)

71


➽ Envejecimiento produce cambios en la permitividad



FDS: Fundamentos (IX)

72


➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?

a) Respuesta dieléctrica en el dominio del tiempo

� Conducción debido a la conductividad del material� Conducción instantánea debido a la componente capacitiva� Conducción debido a la polarización material

1 2 3

j(t)

t



FDS: Fundamentos (X)

73


1 2� Componente capacitiva� Componente resistiva

➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?

b) Respuesta dieléctrica en el dominio de la frecuencia

En términos de la permitividad compleja:



FDS: Fundamentos (XI)

74


➽ Evaluación de la polarización: Resumen

A un instante de tiempo determinado o como una función de tiempo

a) Resistencia de aislamiento

b) Índice de polarización

c) Magnitud de la tensión de retorno (RVM)

A una frecuencia fija o como una función de frecuencia

a) Factor de disipación (tan a una frecuencia fija, usualmente a 50/60 Hz o 0.1 Hz

b) Factor de disipación (tan como una función de frecuencia desde 0.001 Hz hasta 1000 Hz



FDS: Fundamentos (XII)

➽ Fundamentos

Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico

1 mHz 50 Hz 1kHz

Factor de disipación

75




FDS: Fundamentos (XIII)

76


➽ Características de FDS

La respuesta debe ser finita, considerando que la polarización de un material es finita.

Cada material tiene SU PROPIA y única respuesta

La respuesta no varía (significativamente) al variar la temperatura, a no ser que hubieran cambios estructurales importantes.

Debye

Curie-von Schweidler

Respuesta general

Frecuencia

Res

pues

ta



Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (I)

➽ Objetivo

Medir las pérdidas y la capacitancia del sistema de aislamiento a diferentesfrecuencias (y con baja tensión).


Humedad en el sistema de aislamiento.

Contaminación en el sistema de aislamiento.

Determinar posible envejecimiento.

77




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (II)

➽ Prestaciones del sistema

Medición de Factor de Disipación a múltiples frecuencias y a cualquier temperatura.

Compara los valores medidos vs. los valores del modelo, con referencia en una base de datos de materiales.

Se obtienen los resultados en forma de humedad en el aislamiento sólido de papel como porcentaje del peso total del papel.

Corrección de temperatura precisa.

Habilidad para detectar contaminación

78




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (III)

➽ Características del sistema

Señal de Prueba: 0 a 200 V (pico-pico) y 0 a 50 mA

Frecuencia: 10 000 Hz a 0.0001 Hz

Rango de medición de la capacitancia: 10 pF a 100 μF

Uno o dos canales de medición independiente

Liviano y Robusto

Posibilidad de aumentar la tensión de salida (Vax 020: 2 kV)

79




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (IV)


80




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (V)


81




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VI)

➽ Que y cómo medir

82




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VI)


Pasos de medición del IDAX:

1. Se realizan las conexiones

2. Se mide el factor de disipación/factor de potencia desde 1 kHz hasta 1 mHz

3. Se envían los resultados de la medición a un analizador.

4. Se ingresa el valor de la temperatura del aislamiento (temperatura del aceite).

5. El IDAX ajusta la curva medida a la curva modelo (automáticamente) variando los parámetros que afectan la forma de la curva para encontrar el mejor ajuste.

83




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VII)

➽Metodología de medición

¿Por qué medir FDS?

1) FDS usa baja tensión (140 Vrms), lo cual implica:

Mayor seguridad

Menor tamaño del equipo

2) FDS mide capacitancia y tan en un rango de frecuencia que permite:

Mejor interpretación

Posibilidad de eliminar errores de medición.

3) La interpretación de resultados se basa en un modelo real de diseño de transformador.

84




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VIII)

➽Metodología de medición

¿Por qué medir FDS?

4) Las mediciones FDS son reproducibles:

Las mediciones pueden reiniciarse

Mediciones previas en AC no afectan los resultados (pruebas de alta tensión en CC pueden disminuir el valor de factor de disipación)

5) Las mediciones FDS son fáciles de entender y de modelar:

El modelo FDS son cálculos “jω” (Impedancia compleja)

El modelo en dominio de tiempo involucra integración

85




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (IX)

➽ Resultados

Variación de la Capacitancia con la Frecuencia

86




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (X)

➽ Resultados

Variación del Factor de Potencia con la Frecuencia

87




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XI)

88




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XII)

89




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XIII)

90




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XIV)

91




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XV)

➽ Resultados

Factores que afectan la respuesta

92




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVI)

➽ Ejemplo

93




Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVII)

➽ Interpretación de resultados

< 0.5 % Transformador nuevo

0.5 - 1.5% Aislamiento seco

1.5 - 2.5% Nivel medio de humedad

2.5 - 4% Aislamiento húmedo

> 4% Aislamiento muy húmedoLa interpretación del contenido de humedad en el aislamiento solido dado en % de peso de agua

por peso de celulosa

94





Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVIII)

95



FINAL

Artec Ingeniería S.A.Representante de Megger en Argentina.

www.megger.com

96
