Sustitución de aceite vegetal en un auto-

transformador de 230/115 KV, 25/33.33

MVA , en la subestación Irapuato II.

18-ABRIL-2012

M.C. Rodrigo Ocón V.

Antecedentes

El aceite mineral derivado del petróleo se ha utilizadopor más de 100 años como medio aislante en equipoeléctrico. Esto debido a sus excelentes propiedadesdieléctricas, refrigerantes y su bajo costo. Sinembargo, en las últimas dos décadas, debido a la crisispetrolera y a la legislación ambiental, se inició labúsqueda de alternativas para sustituir los aceitesminerales por dieléctricos ambientalmente amigables.minerales por dieléctricos ambientalmente amigables.

Tendencia tecnológica a nivel mundial:

Desarrollo de fluidos

dieléctricos biodegradables con

alto punto de inflamación

En México, la CFE en conjunto con el IIE-IEM estánllevando a cabo el primer proyecto de investigaciónencaminado a evaluar el desempeño de unautotransformador de potencia de 230/115/13.8 kVoperando con aceite aislante biodegradable ensustitución del aceite mineral.

Evaluar el desempeño de un aceite aislante biodegradable enun transformador de potencia de 230kV en servicio, mediantela sustitución del aceite mineral con el objeto de incrementarla vida útil y la seguridad en estos equipos.

Objetivos del proyecto

Objetivo general:

Objetivos por etapas:Objetivos por etapas:

1. Estudio de factibilidad del empleo de aceite aislantebiodegradable en un transformador de potencia.

2. Preparación, rellenado y puesta en servicio del transformadorseleccionado para el estudio

3. Seguimiento a la operación del transformador rellenado conaceite biodegradable

Fluidos Dieléctricos en Transformadores

El uso de fluidos dieléctricos alternos para transformadores no es una tecnología nueva ya que sehan usado por muchos años, principalmente en transformadores de distribución y cada vez masse extiende su uso en transformadores de mayor potencia y voltaje.

En los últimos 10 años ha habido un desarrollo acelerado en el uso de los esteres naturales ,impulsado principalmente por el aspecto ambiental.impulsado principalmente por el aspecto ambiental.

Aceite Mineral Silicones Ester sintéticos Ester natural (Aceite vegetal)

Transformadores de Potencia

A X B B

Transformadores de Tracción

A A A X

Transformadores de Distribución

A A A A

Transformadores de Instrumento

A X X X

A= Ampliamente usado

B= Usado, no muy común

X = No usado

DESARROLLO DE ESTERES NATURALES

Esteres naturales: Actualmente usados en cerca de 300 000 transformadores de distribución y más de 200 transformadores de Potencia de hasta 200 MVA y 242 KV.[1]

Aceites Vegetales comerciales

Normalización.

ASTM D6871-03 (2008). Standard Specification for Natural Ester Fluids Used in Electrical Apparatus

IEEE C57.147. IEEE Guide for Acceptance and Maintenance of Natural Ester Fluids in Transformers

NMX-J628-2010 Transformadores-Liquidos Aislantes-Esteres NaturalesNMX-J628-2010 Transformadores-Liquidos Aislantes-Esteres Naturales

VG-100 PROLEC GE

ASPECTOS DE DISEÑO EN TRANSFORMADORES

a) Propiedades dieléctricas y distribución de campo eléctrico

3.00

3.50

4.00

4.50

E (KV/MM)

Distribución de Campo Eléctrico en el Espacio Alta -Baja

Permitividades relativasAceite mineral: 2.2 Aceite FR3 : 3.0 Pressboard impregando con aceite mineral: 4.4Pressboard impregando con FR3: 4.8

-

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

Distancia (in)

FR3

ACEITE

HIBRIDO

FR3: Considera aceite FR3 y aislamientos impregnados con FR3ACEITE: Considera aceite mineral y aislamientos impregnados con aceite mineralHIBRIDO: Considera aceite FR3 y aislamientos impregnados en aceite mineral

b) Absorción de Agua

c) Soporte dieléctrico y descargas parciales [1]

Comportamiento similar en AC baja frecuencia,Menor resistencia al impulso Diferentes patrones en descargas parciales

Comportamiento similar en arrastre a 60 Hz e impulso entre FR3 y Aceite mineral [1]

d) Viscosidad del Fluido. Diseño Térmico

-20 0 20 40 60 80 100 120 1400.1

1

10

100

1000

10000

Vis

cosi

dad

Cin

emát

ica

(cS

t)

Temperatura (°C)

viscosidad FR3 viscosidad Aceite Mineral NRIS

Haciendo una comparación entre los modelos para aceite mineral y FR3,se observa que el FR3 a temperaturas de operación entre 0 y 45 °Cpresenta una viscosidad alrededor de 3 veces mayor que el aceitemineral, esta diferencia de viscosidades disminuye ligeramente atemperaturas mayores de 45 °C

VARIACIÓN DE FLASH Y FIRE POINT EN FUNCIÓN DEL CONTENIDO DE ACEITE

MINERAL (FR3)

e) Resistencia al Fuego

f) Estabilidad a la oxidación.

1- Silicones2- Ester Sintético3. Aceites Minerales4- Ester Naturales ( genera geles, alcoholes, e incrementa la viscosidad del aceite)

Grupo de Trabajo CIGRE D1-01, IEC TC10-PT05

Sistema de preservación de aceite de presión constante con bolsa o membrana es recomendable para transformadores de potencia.

g) ACCESORIOS

CAMBIADORES DE DERIVACIONES sin carga y bajo carga(Dieléctrico, térmico, materiales de contactos )

BOQUILLAS ( empaques , capacidad térmica)

BUCHHOLZ . (Empaques, sensibilidad de alarmas)BUCHHOLZ . (Empaques, sensibilidad de alarmas)

Bombas (flujo de aceite)

Indicadores y accesorios en general en contacto con el aceite deben verificarse

Evaluación funcional del transformador

Pruebas realizadas en campo al transformador:

� Impedancia en función de la frecuencia

� Resistencia de aislamiento a devanados

� Relación de transformación y polaridad a devanados

Transformador seleccionado para el estudio

Fabricado en 1978

� Factor de potencia y capacitancia a boquillas

� Factor de potencia a transformadores de dos devanados

� Respuesta a la frecuencia

� Resistencia óhmica

� Corriente de excitación

� Collar caliente a boquillas

IEM OT 24-6793, 230/115 KV 25/33.3 MVA

Drenado y desensamble del transformador

Inspección, desconexión interna de boquillas y del cambiador deAcondicionamiento del sistema para el drenado del aceite

Inspección, desconexión interna de boquillas y del cambiador dederivaciones

Trabajos de carga del transformador para su transporte a la empresa IEM Maniobras de carga y transporte del transformador a IEM

Acondicionamiento del sistema para el drenado del aceite

Instrumentación del transformador

Se instalaron ocho sensores de temperatura tipo fibra óptica. Puntos de medición:

� Colilla de la boquilla de alta tensión� Colilla de la boquilla de baja tensión� Colilla de la boquilla del terciario Y1� Temperatura en la derivación No. 6 del cambiador de derivaciones bajo carga

Proceso de lavado y rellenado del autotransformador en planta

• Preparación del equipo– Drenado del aceite mineral– Instalación de boquillas aspersores– Desgasificación de FR3 para el lavado

de fase

• Calentamiento y lavado de fase– Calentamiento de aceite a 60°C– Inyección de aceite para el lavado– Inyección de aceite para el lavado– Recirculado de aceite.– Determinación de la concentración de

aceite mineral residual en aceite vegetal FR3.

• Llenado del autotransformador– Inyección de aceite desgasificado– Extracción de muestra para análisis

físico-químico– Determinación de la concentración

final de aceite mineral residual en aceite FR3

Seguimiento en planta a pruebas eléctricas con aceite FR3

Autotransformador en piso de pruebas.

Comparativo de la medición de resistencia de aislamiento.

CONEXIONES HX-YT Y-HXT HX-Y Tiempo

Mineral sitio

Mineral planta

FR3 planta

FR3 sitio

Mineral sitio

Mineral planta

FR3 planta

FR3 sitio

Mineral sitio

Mineral planta

FR3 planta

FR3 sitio

15 s 10.8 5.55 3.58 1.79 3.7 1.29 1.5 0.98 10.5 4.34 2.94 1.82 30 s 12.0 6.4 4.42 2.30 4.9 1.65 2.02 1.41 11.1 4.55 3.58 2.30 45 s 12.8 6.8 5.1 2.70 5.7 1.84 2.46 1.76 12.2 4.96 4.18 2.72 1 m 13.3 7.05 6.5 3.02 6.4 2.08 2.86 2.08 14.0 5.45 4.78 3.06 2 m 15.9 7.75 7.55 3.98 7.9 2.82 4.28 3.00 16.3 7.0 6.85 4.18 3 m 17.4 8.55 9.05 4.58 8.9 3.4 5.35 3.62 17.6 8.1 8.6 4.96 4 m 17.7 9.15 9.85 5.05 9.8 3.94 6.25 4.08 20.0 8.95 10.1 5.65 4 m 17.7 9.15 9.85 5.05 9.8 3.94 6.25 4.08 20.0 8.95 10.1 5.65 5 m 20.0 9.9 10.6 5.32 10.5 4.4 7.0 4.46 20.8 9.9 11.3 6.15 6 m 20.6 10.4 11.2 5.65 11.1 4.84 7.6 4.76 22.0 10.4 12.7 6.65 7 m 21.0 11.1 11.7 5.90 11.6 5.3 8.1 5.05 23.0 11.3 13.3 7.05 8 m 21.4 11.9 12.1 6.05 12.0 5.7 8.55 5.25 23.4 12.3 14.3 7.35 9 m 22.0 12.2 12.5 6.20 12.4 6.0 5.95 5.50 24.0 12.8 15.1 7.70

10 m 23 13.5 12.8 6.35 12.8 6.45 9.3 5.65 25.2 13.5 15.8 8.00 1/30 1.10 1.10 1.47 1.31 1.30 1.26 1.41 1.48 1.26 1.19 1.19 1.33 10/1 1.72 1.91 1.96 2.10 2 3.10 3.25 2.72 1.8 2.47 3.3 2.61 CTE 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

FAC a 20 °C 1.19 1.46 1.18 1.19 1.46 1.18 1.19 1.46 1.18

kV Pba 2 2 5.0 2 2 5.0 2 2 5.0

Nota: Para el valor de indicie de polarización se obtuvieron valores cercanos a 2 que de acuerdo a la normaIEEE C57.12.90 y NMX-J-169 indican que el aislamiento tiene un estado satisfactorio.

Comparativo de relación de transformación

Medición de relación de transformación entre alta tensión (H1) y baja tensión (X1)

POLARIDAD POLARIDAD DISEÑADA + -

H1 H0X0 X1 H0X0

+ - H1 H0X0 X1 H0X0

POSICIÓN

RELACION MEDIDA FASE

Número Mineral sitio

Mineral planta

FR3 planta

FR3 sitio

RELACIÓN MÍNIMA

RELACIÓN NOMINAL

RELACIÓN MÁXIMA Mineral

sitio Mineral planta

FR3 planta

FR3 sitio

1 2.199 2.199 2.200 2.207 2.189 2.200 2.211 0.045 0.045 0.00 -0.318 2 2.179 2.180 2.180 2.188 2.169 2.180 2.191 0.046 0.00 0.00 -0.367 3 2.159 2.160 2.160 2.167 2.149 2.160 2.171 0.046 0.00 0.00 -0.324 4 2.139 2.140 2.140 2.146 2.129 2.140 2.151 0.047 0.00 0.00 -0.280 5 2.119 2.120 2.120 2.126 2.109 2.120 2.131 0.047 0.00 0.00 -0.283 6 2.094 2.099 2.100 2.107 2.090 2.100 2.111 0.286 0.048 0.00 -0.333 6 2.094 2.099 2.100 2.107 2.090 2.100 2.111 0.286 0.048 0.00 -0.333 7 2.079 2.080 2.080 2.085 2.070 2.080 2.090 0.048 0.00 0.00 -0.240 8 2.059 2.059 2.060 2.065 2.050 2.060 2.070 0.049 0.049 0.00 -0.243 9 2.039 2.040 2.040 2.046 2.030 2.040 2.050 0.049 0.00 0.00 -0.294 10 2.019 2.020 2.020 2.025 2.010 2.020 2.030 0.050 0.00 0.00 -0.248 12 1.999 1.999 2.000 2.006 1.999 2.000 2.010 0.050 0.050 0.00 -0.300 14 1.979 1.980 1.980 1.987 1.970 1.980 1.990 0.051 0.00 0.00 -0.354 15 1.959 1.960 1.960 1.966 1.950 1.960 1.970 0.051 0.00 0.00 -0.306 16 1.939 1.940 1.940 1.944 1.930 1.940 1.950 0.052 0.00 0.00 -0.206 17 1.919 1.920 1.920 1.926 1.910 1.920 1.930 0.052 0.00 0.00 -0.313 18 1.899 1.899 1.900 1.906 1.891 1.900 1.910 0.053 0.053 0.00 -0.316 19 1.879 1.880 1.880 1.886 1.871 1.880 1.889 0.053 0.00 0.00 -0.319 20 1.859 1.860 1.860 1.866 1.851 1.860 1.869 0.054 0.00 0.00 -0.323 21 1.834 1.840 1.840 1.845 1.831 1.840 1.849 0.326 0.00 0.00 -0.272 22 1.819 1.820 1.820 1.825 1.811 1.820 1.829 0.055 0.00 0.00 -0.275 23 1.799 1.799 1.800 1.804 1.791 1.800 1.809 0.056 0.056 0.00 -0.222

Nota: Norma aplicada IEEEC57.12.90 y NMX-J-169

Prueba de elevación de temperatura

Parámetros para el cálculo de la elevación de temperatura para H1-X1

Medición Mineral FR3

Lectura de la resistencia en frío 0.241070 ohms 0.237710

Temperatura del devanado en frío 19.0 °C 15.9

Constante del devanado 234.5 234.5

Elevación ambiente -aceite 18.18 °C 17.98Elevación ambiente -aceite 18.18 °C 17.98

Tipo de enfriamiento ONAF ONAF1

Altitud de operación 2500 m 2500

Tem. cabezal superior 44.1 °C 49.4

Tem. cabezal inferior 21.5 °C 20.5

Tem. superior del aceite 44.7 °C 49.7

Cálculo de la lectura a tiempo cero 0.267142 ohms 0.2702 ohms

Temperatura media del aceite 33.4 °C 35.3

Gradiente aceite-devanado 13.0 14.8

Elev. Amb-dev a 2240 msnm. 31.2 °C 32.8

Elev. Amb-dev corr. por altitud 31.5 °C 33.1

Elev. Garantizada amb.-dev. 55.0 °C 55.0

Comparativo FRA

Comparativo del FRA para H1-X1

-20

-10

0

10

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Frecuencia (Hz)

Res

pu

esta

dB

MEDICIÓN EN SITIO FR3

MEDICIÓN EN PLANTA FR3

MEDICIÓN EN PLANTAACEITE MINERAL

MEDICION EN SITIO ACEITEMINERAL

Comparativo FRA

Comparativo del FRA para X1-H0X0 / Y1-Y2

-30

-20

-10

0

-90

-80

-70

-60

-50

-40

10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Frecuencia (Hz)

Re

spu

esta

dB

MEDICIÓN EN SITIO FR3

MEDICIÓN EN PLANTA FR3

MEDICIÓN EN PLANTA ACEITEMINERAL

MEDICIÓN EN SITIO ACEITEMINERAL

Comparativo FRA

Comparativo del FRA para Y1-Y2

-20

-10

0

-60

-50

-40

-30

10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Frecuencia (Hz)

Res

pu

esta

dB

MEDICIÓN EN SITIO FR3

MEDICIÓN EN PLANTA FR3

MEDICIÓN EN PLANTA ACEITEMINERAL

MEDICIÓN EN SITIO ACEITEMINERAL

Comparativo FRA

Comparativo del FRA para X1-H0X0

-30

-20

-10

0

-90

-80

-70

-60

-50

-40

10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Frecuencia (Hz)

Res

pu

esta

dB

MEDICIÓN EN SITIO FR3

MEDICIÓN EN PLANTA FR3

MEDICIÓN EN PLANTA ACEITEMINERAL

MEDICIÓN EN SITIO ACEITEMINERAL

Desensamble y embarque

Preparación de radiadores y accesorios para embarque

Preparación de boquillas para su embarque

Desensamble del transformador

Maniobras de embarque del transformador

TRANSPORTE

Montaje y puesta en servicio del

autotransformador

Se realizaron las siguientes actividades:

•Descarga e inspección de accesorios.•Prueba de hermeticidad a radiadores y bolsa cops.•Montaje de radiadores.•Montaje de soportes y tanque cops.•Montaje tubería de liga.•Montaje de boquillas.•Retiro de bloqueos para embarque e inspección interna.•Retiro de bloqueos para embarque e inspección interna.•Conexión interna de boquillas y guías de cambiador bajo carga.•Pruebas preeliminares•Prueba de hermeticidad en general.•Prueba de humedad residual inicial.•Proceso de alto vacío •Prueba de abatimiento de vacío •Colocación del gabinete de mando motor del cambiador.•Romper vacío con nitrógeno de ultra alta pureza.•Prueba de humedad residual final.•Prueba al aceite antes de su inyección •Barrido de alto vacío e inyección de aceite•Reposo del aceite•Pruebas finales de operación.•Prueba de las protecciones propias del TR

Rellenado del transformador en campo con FR3

Se inició el proceso de inyección de aceite el día 25 de febrero de 2011 a las 14:30 horas. La maquina desgasificadora proporcionó un flujoaproximado de 1,800 litros por hora. Durante el proceso de llenado se aplicó vacío para ayudar a eliminar las burbujas generadas en elsistema.

Aplicación de vacío durante el proceso de llenado Máquina desgasificadora para inyección de aceite

Instalación del sistema de monitoreo de temperatura

Revisión de conectores para fibra óptica Instalación de las señales de fibra óptica

Instalación del sistema de monitoreo de gases disueltos

Para realizar el monitoreo del comportamiento de la generación de gases en el aceite del autotransformador se instaló un sistema de monitoreo

en línea Transfix.

Puesta en servicio

Puesta en servicio

La energización del equipose realizó a las 01:01 horas

del día 11 de abril de 2011

DATOS DE PUESTA EN SERVICIO30 MWIA: 157 amperesIB: 158 amperesIC: 159 amperes (autotransformador rellenado con aceite vegetal FR3)

Inspección térmica Banco AT 1

Termografía a la fase C del banco AT 1La temperatura máxima (40°C) se registró en la parte superiordel tanque principal

Resultados del primer monitoreode temperaturas

Monitoreo de temperaturas en línea del autotransformado rellenado con aceite vegetal

40

45

50

Guia de AT1 Guia de AT2 Derivación 6-1 Derivación 6-2

Guia de BT2 Guia de Y2-1 Guia de Y2-2

10

15

20

25

30

35

08/0

4/20

1109

/04/

2011

10/0

4/20

1111

/04/

2011

12/0

4/20

1113

/04/

2011

14/0

4/20

1115

/04/

2011

16/0

4/20

1117

/04/

2011

18/0

4/20

1119

/04/

2011

20/0

4/20

1121

/04/

2011

22/0

4/20

1123

/04/

2011

24/0

4/20

1126

/04/

2011

27/0

4/20

1128

/04/

2011

29/0

4/20

1130

/04/

2011

01/0

5/20

1102

/05/

2011

03/0

5/20

1104

/05/

2011

05/0

5/20

11

Tiempo

Tem

pe

ratu

ra °

C

Puesta enservicio

Temperaturasmás altas

Monitoreo de gases disueltos

Análisis de gases disueltos (DGA).En esencia los mismos gases claves (C57.104) son usados para diagnostico , sin embargo se esta trabajando en la calibración de relaciones de gases, que son un poco diferentes a las obtenidas con aceite mineral.El Incremento de gases como el Ethano e Hidrogeno en transformadores re-llenados es típico y reportados en la literatura (stray gassing)

Resistencia de aislamiento.La resistividad volumétrica de los esteres naturales es un orden de magnitud menor que la resistencia del aceite mineral. Las mediciones en transformadores reflejan este aspectomineral. Las mediciones en transformadores reflejan este aspecto

Factor de potencia de aislamientos.Es mayor el factor de potencia de los aislamientos con el uso de ester naturalLa experiencia indica que puede llegar a ser de hasta el doble respecto al aceite mineral.

CapacitanciaIncrementos esperados desde un 5 a 50% [5]. Debido a las características químicas propias del fluido

Punto de roció y humedad relativa.En aislamientos impregnados con FR3, no funcionan las curvas normalmente usadas para aceite mineral.

IEEE

WG PC57.155 – Guide for Interpretation of Gases Generated in Natural Ester and Synthetic Ester Immersed Transformer - Chair: Paul BowmanWG Guide for Field Application of Natural

NORMAS EN DESARROLLO

WG Guide for Field Application of Natural Ester Fluids - Chair: Jim Graham

IEC

PWI 10-5 Ed. 1.0Natural esters to be employed as insulating fluids

• TRANSFORMADOR GSU

• TIPO COLUMNAS

• 66 / 88 / 110 MVA

• KNAN / KNAF / KNAF

• HV 69 +/- 2 X 2.5% KV, DETC, Y

• LV 13.8 KV Δ

• ELEVACIÓN DE TEMPERATURA = 65 °C

• ALTITUD DE OPERACIÓN: 1000 MSNM

EXPERIENCIA IEM

Transformadores tipo Subestación 500 KVA, sumergidos en FR3

• ALTITUD DE OPERACIÓN: 1000 MSNM

• TEMPERATURA AMBIENTE PROMEDIO: 40 °C

• MÁXIMA TEMPERATURA DE OPERACIÓN: 50 °C

CONCLUSIONES

-Los esteres naturales son una alternativa viable para transformadores dedistribución y potencia (hasta 230 KV). Las principales ventajas se relacionan consus propiedades biodegradables, resistencia la fuego, e incremento de la vida útilde los aislamientos.

-El Auto-transformador de 230 KV, rellenado con aceite vegetal, ha trabajadosatisfactoriamente durante un año de operación, demostrando la factibilidad deluso de aceites vegetales.

-Los comités de CIGRE , IEEE y ASTM están trabajando fuertemente en el aspectonormativo de los aceites vegetales.

REFERENCIAS

[1] 436. Experiences in Service with New insulating Liquids. WG A2.35 , October 2010. CIGRE

[2] IEEE Guide for Acceptance and Maintenance of Natural Ester Fluids inTransformers, C57.147-2008, IEEE, 2008

[3] M. Duval and R. Baldygam, “Stray gassing of FR3 oils in transformers in[3] M. Duval and R. Baldygam, “Stray gassing of FR3 oils in transformers inservice,” in 76th Doble International Client Conference, 2009.

[4] Cooper Power Systems, Envirotemp FR3 Fluid Testing Guide, Waukesha,

WI: Cooper Industries Inc., 2004[5] S.P. Moore, Some consideration for new and retrofill aplications of natural ester dielectric fluids in medium and large power transformers,