Lisboa Julio 2013, Miguel A. De la Fuente Jornadas ......... ( Método de descarga parcial) 9....

© ABB GroupSeptember 30, 2011 | Slide 1

Jornadas TécnicasDiagnóstico – Ensayos avanzados

Lisboa Julio 2013, Miguel A. De la Fuente

Diagnóstico de transformadores

Ensayos avanzadosFRA

Análisis aceite

C & Tan delta

FDS /DFR

Medida DP

Mecánico Térmico

Dieléctrico

CortocircuitoSobreintensidad

Defectos

refrigeración.

Defectos incipientes

Sobretensiones

Falta nivel aceite

React. dispersión

FRA

Capacidad

Corriente excitación

DGA

Análisis papel

Termografía

Relación / Resistencia Aislamiento/ Resistencia de Devanados

Cau

saTi

po

efec

to

Dia

gnós

tico


Métodos de DiagnósticoTécnicas de Diagnóstico más importantes para Transformadores

PROBLEMAS TÉCNICAS DE DAGNÓSTICO CONDICIONESEQUIPO

ESTADOTÉCNICA

PRUEBA DEEFECTIVIDAD

MECÁNICOS

1. Corriente de excitación2. Impulso de baja tensión3. Análisis de respuesta de frecuencia (FRA)4. Medida de la inductancia de fuga5. Capacidad

OFF-SOFF-SOFF-SOFF-SOFF-S

AAAAA

MLH

M/HH

TÉRMICOS

ANÁLISIS DE GASES EN EL ACEITE6. Cromatografía de gases7. Método del Hidrógeno Equivalente

ONON

AA

HM

DETERIORO DEL ACEITE - PAPEL8. Cromatografía líquida ( Método de descarga parcial)9. Análisis de furánicos

ONON

BB

M/HM/H

DETECCIÓN DE PUNTO CALIENTE10. Sensores invasivos11. Termografía infrarroja

ONON

BA

LH

DIELÉCTRICOS

ANÁLISIS DE ACEITE12. Humedad, resistencia eléctrica, resistividad etc.

ON A M

13. Relación de transformación OFF-S A L

MEDIDA DP14. Método ultrasonido15. Método eléctrico

ONON

BB

M / HM / H

16. Factor de Potencia y Capacidad17. Respuesta Frecuencia Dieléctrica (DFR)

OFF-SOFF-S

AA

HH

[1] OFF-S = equipo fuera de servicio in-situ, OFF-L = equipo fuera de servicio en laboratorio, ON = equipo en servicio[2] A = aplicación general, B = fase de desarrollo

[3] H = alta, M = media, L = baja

Herramientas Avanzadas de Diagnóstico

Diagnóstico de Transformadores

n Técnica de diagnóstico avanzada no destructiva usada para verificar laintegridad mecánica de la parte activa del transformador.

n El objetivo es detectar desplazamientos físicos de la parte activa deltransformador después de algún evento determinado (accidente, transporte,falta, reparación, etc…)

n Estas medidas pueden proporcionar señales de daños en el transformadorque pueden ser investigadas a fondo mediante otras técnicas o mediante unexamen interno de la unidad.

n El FRA consiste en medir la respuesta eléctrica de las bobinas ante un ampliorango de frecuencia para comparar los resultados con un patrón de referencia.

Diagnóstico de Integridad Mecánica – FRA

Objetivo de FRA: comprobación del estado mecánico§ Deformaciones y/o desplazamientos del devanado

§ Apriete de arrollamientos§ Cortocircuitos

FRA – Objetivos


Us

Zs

ZrefUref

Iin

s Zref Zmed Umed

Imed

FRA – Principios de medida



n Indicaciones de problemas en el devanadon Cambios globales en el aspecto de la respuesta

n Aparición o desaparición de frecuencias de resonancia no existentescon anterioridad

n Desplazamientos significativos de frecuencias existentes

n Características típicas de las bandas de medidan f<2000Hz: Deformaciones del núcleo, cortos entre espiras, circuitos

abiertos, magnetismo residual.

n 2 kHz<f<20kHz: Desplazamientos relativos entre devanados

n 20 kHz<f<1MHz: Deformaciones propias del devanado

n 1<f<10 MH: Disposición de conexiones y cables de medida

FRA – Interpretación resultados


Diagnóstico de TransformadoresFRA – Formas de Onda típicas

AT en Estrella (BT en abierto)

AT en Estrella (BT en cortocircuito)

Mayor Influenciadel núcleo

Mayor Influenciadel bobinado

Influencia de loscables y las tierras

¿Preguntas?

© ABB GroupJuly 1, 2013 | Slide 10


Ensayos avanzadosReactancia de dispersion

Análisis aceite

C & Tan delta

FDS /DFR

Medida DP

Mecánico Térmico

Dieléctrico


Defectos

refrigeración.


Sobretensiones

Falta nivel aceite

React. dispersión

FRA

Capacidad


DGA

Análisis papel

Termografía


Cau

saTi

po

efec

to

Dia

gnós

tico


Diagnóstico de TransformadoresHerramientas Generales de Diagnóstico

Reactancia de Dispersión (Impedancia de Cortocircuito)

n Objetivos. ¿Qué queremos comprobar?n Movimientos en los bobinados causados por corrientes de falta.

n Daños mecánicos durante el transporte.

n Rotura de elementos de fijación.

n Cortocircuito entre dos o más pletinas en paralelo.

n Ensayo en monofásico. Se aplica una pequeña tensión alterna cadados terminales, cortocircuitando el devanado contrario.

Diagnóstico de TransformadoresHerramientas Generales de Diagnóstico

Reactancia de Dispersión (Impedancia de Cortocircuito)

n Método de Reactancia de Dispersión (%X):n Compara sólo la parte reactiva de la impedancia (Lk).

n La medida de X ofrece una apreciación fiable del estado del transformador.

n En la mayoría de los casos Rk es muy pequeña, por lo que %X≈%Z.

n Los valores de impedancia no dependen de la tensión aplicada.

n Dos métodos:n Monofásico: Comparación de valores entre fases. Desviación máxima ±3%.

n Equivalente trifásico: Comparación de valores de Z% con respecto a losdatos de la Placa de Características. Desviación máxima ±3%.

¿Preguntas?



Ensayos avanzadosPapel y DFR

Análisis aceite

C & Tan delta

FDS /DFR

Medida DP

Mecánico Térmico

Dieléctrico


Defectos

refrigeración.


Sobretensiones

Falta nivel aceite

React. dispersión

FRA

Capacidad


DGA

Análisis papel

Termografía


Cau

saTi

po

efec

to

Dia

gnós

tico




ESTADOTÉCNICA


MECÁNICOS

1. Corriente de excitación2. Impulso de baja tensión3. Análisis de respuesta de frecuencia4. Medida de la inductancia de fuga5. Capacidad


AAAAA

MLH

M/HH

TÉRMICOS


ONON

AA

HM


ONON

BB

M/HM/H


ONON

BA

LH

DIELÉCTRICOS


ON A M



ONON

BB

M / HM / H

16. Factor de Potencia y Capacidad17. Respuesta Frecuencia Dieléctrica

OFF-SOFF-S

AA

HH



§ Sistema de aislamiento basado en productos orgánicos.§ Aceite mineral

§ Papel y cartón (celulosa).

§ La degradación de los compuestos orgánicos provoca pérdida de capacidadde resistencia a los esfuerzos que soporta el transformador. Los principalesfactores que contribuyen a este proceso son:§ Temperatura

§ Humedad

§ Oxígeno

§ Acidez

§ El tiempo de vida de un transformador depende de los efectos de estosfactores sobre el sistema de aislamiento y de una gestión adecuada delmantenimiento del equipo.

Procesos Básicos de EnvejecimientoIntroducción



§ Proceso irreversible y limitante para el tiempo de vida del transformador.

§ La rotura de las cadenas de celulosa (disminución del grado depolimerización, DP) devalúa las propiedades mecánicas.

Procesos Básicos de EnvejecimientoDegradación del Papel

Dependencia de la resistencia tensional con el Grado de Polimerización en papel Kraft




Diagnóstico de TransformadoresEvaluación de Propiedades Térmicas

Grado de Polimerización.n Los materiales de celulosa (papel y cartón) constituyen la mayor parte

del aislamiento de los transformadores de potencia.

n La celulosa puede considerarse la molécula orgánica más abundantede la naturaleza. Se trata de un polímero lineal de varios miles deglucosas unidas.

(C6H10O5)nGrado de

polimerización



Grado de Polimerización.n El grado de polimerización se

determina mediante medidas deviscosidad (ASTM D4243).

n El papel Kraft virgen tiene un grado depolimerización de 1000-1400; despuésdel secado y la impregnación de aceitecae a 900-1100.

n Con el paso del tiempo el grado depolimerización va disminuyendo.

n Cuando llega a 200, la resistencia a latracción cae hasta el 20%. Valores deDP de 100-150 indican la carbonizaciónde la celulosa. Fibras de celulosa en el papel



Grado de Polimerización.n Tiempo de vida esperado de la celulosa:

÷øö

çèæ

+×

´´

÷÷ø

öççè

æ-

=273

13350exp36524

11

)(TA

DPDPyrsLifeExpected StartEnd

n DPEnd, DPStart : respectivamente valoresDP del aislamiento al final y al principiode su vida.

n T: temperatura de la bobina en contactocon el aislamiento (ºC)

n A: Factor de envejecimiento. Dependedel tipo de aislamiento y de lascondiciones de operación

CondicionesAislamiento Papel Kraft Insuldur

Limpio y seco (2.0 ± 0.5) × 108 (6.7 ± 1.4) × 107

Aceite ácido (2.4 ± 0.7) × 108 (1.1 ± 0.6) × 108

Aceite oxigenado (8.3 ± 2.8) × 108 (3.5 ± 1.4) × 108

1% contenido en agua (6.2 ± 2.9) × 108 (1.1 ± 0.5) × 108

3-4% contenido en agua (21.0 ± 7.8) × 108 (2.6 ± 1.7) × 108

Factores de envejecimiento (A) estimados



Esperanza de vida de transformadores aislados con papel Kraft

Evaluación de Propiedades Térmicas

0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Temperature [oC]

Life

Expe

ctan

cy

Dry & Clean (Kraft)Acidic Oil (Kraft)1% Water Content (Kraft)3-4% Water Content (Kraft)



Esperanza de vida de transformadores aislados con Insuldur


0.1

1.0

10.0

100.0

1000.0

10000.0

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Temperature [oC]

Life

Expe

ctan

cy(y

ears

)

Dry & Clean (Insuldur)

Acidic Oil (Insuldur)

1% Water Content (Insuldur)

3-4% Water Content (Insuldur)



n Consideraciones sobre el estado del papel. Fin de vidan Se considera el final de la vida de un papel cuando su DP es de 200

n La rigidez mecánica del papel no es lineal con DP. Por debajo de 500 laresistencia crece significativamente

n El papel Kraft envejece más que el Insuldur en términos generales.

n Se estima que un incremento del 0.5% en la humedad del papel reduce elvalor DP en un 50%

n Es posible estimar la vida residual del papel mediante una muestra yanálisis del mismo.n El DP obtenido entra en la fórmula anterior como DPstart.

n Tomar una muestra exige la apertura de la máquina y la selección de lamuestra del punto más desfavorable (hot spot) lo cual puede no ser posible.

n El diagnóstico por furánicos también permite realizar esta estimaciónsin muestra. Método indirecto.



Análisis de compuestos furánicos.n Relaciona la cantidad de compuestos furánicos en el aceite con el

grado de polimerización de la celulosa del papel y con el tiempo devida restante del aislamiento.

n Los compuestos furánicos son compuestos heterocíclicos que segeneran cuando la celulosa se descompone térmicamente. Soncompuestos de degradación intermedios, son líquidos y permanecenen el aceite en cantidades de trazas.




n Análisis de compuestos furánicos.n Se detectan por cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).

n Cuando se cambia el aceite de un transformador se pierden la mayoríade los compuestos furánicos. Puede ser necesario mantener losregistros exactos de análisis previos.

n Por si sólo, el análisis de 2FAL no es consecuente. Algunos expertosindican que son de utilidad cuando la relación CO2/CO es <3 ó >10.

n Normalmente los niveles de furanos suelen ser <0,1ppm. En unidadesantiguas pueden pasar de 1 ppm, incluso llegar a 10 ppm.

n Un estudio sobre 5000 transformadores mostró que un númerosignificativo de ellos sobrepasaban 1 ppm de furanos.

n Existen ecuaciones que relacionan el contenido en 2-Furfural y el GP.




n Análisis de compuestos furánicos.

100

1000

0.01 0.1 1 10 100

Furfural Content (ppm or mg/liter of oil)

Est

imat

edD

PVa

lue

Chendong - Kraft/UpgradedDePablo - KraftPahlavanpour - KraftShkolnik - Upgraded

00288.0)(17.1:ln

1)186.0(800:

10 FLogDPikShko

FDPurPahlavanpo

-=

+´=

FDPDePablo

FLogDPChendong

+=

-=

88.87100:

0035.0)(51.1: 10



§ Las medidas de DFR son similares alas de factor de potencia o de tan δ,pero a múltiples frecuencias (por logeneral en la banda de 1mHz-1 kHz).

§ Se obtiene mucha más información, yesto permite distinguir propiedadesde la celulosa y del aceite porseparado.

§ El efecto de la humedad en elaislamiento es mucho más visible abajas frecuencias.

§ Es necesario disponer de un modelodel aislamiento del transformador,que depende del tipo de máquina.


n Medidas de respuesta en frecuencia eléctrica como diagnósticodel PF del aislamiento.



n Medidas de respuesta en frecuencia eléctrica como diagnósticodel PF del aislamiento.

Las medidas de DFR implicanmodelización de los materiales yestructura del aislamiento deltransformador. Para estos propósitosse emplea el modelo X-Y.

Valores típicos de X e Y son 10-40%

En caso de ausencia de datos dediseño, una estimación inicial puedeser 20%-20%

y

1-y

x 1-x

Oil

SpacerBarrier




n Modelo de estimación ABB

n ABB dispone de una BD de respuestadieléctricas de diferentes materialescelulósicos impregnados en aceite y paravarios contenidos de humedad y Tª.

n El modelo se establece en base a losparámetros anteriores y los datos dediseño.

n El sistema optimiza el modelo teóricopara ajustarse a la medida real.

n Tras el ajuste, el modelo proporciona unaestimación de la humedad en el papel yde la conductividad del aceite.

n Alta influencia de la Tª.



n Causas de elevado factor de potencia en el aislamienton Humedad en el aislamiento de celulosa

n Alta conductividad del aceite

n Contaminación química del aislamiento de celulosa

n Rastros de carbón en la celulosa

n Alta resistencia en el circuito de acero del núcleo magnético


Influencia de la humedad enla resistencia dieléctrica



n Diagnóstico de estado por DFR

El factor de potencia a 50 Hz noproporciona ninguna indicación delestado del aceite

0.001

0.010

0.100

1.000

1 1 8 3 5

Tan

D

Aged Oil, 0.5%Moisture

Good Oil 1.3%Moisture

PF =. 00324

.001 .01 .1 1 10 100 1000

Frequency, Hz


0.001

0.010

0.100

1.000

1 1 8 3 5

Tan

D

Aged Oil, 0.5%MoistureGood Oil 1.3%MoisturePF =. 00324

Measured DR

.001 .01 .1 1 10 100 1000

Frequency, Hz

La medida DFR, indica un aceite enbuen estado, con un contenido dehumedad de sólo el 0.7%



n Diagnóstico por Firma DFR


¿Preguntas?



Ensayos avanzadosDescargas parciales

Análisis aceite

C & Tan delta

FDS /DFR

Medida DP

Mecánico Térmico

Dieléctrico


Defectos

refrigeración.


Sobretensiones

Falta nivel aceite

React. dispersión

FRA

Capacidad


DGA

Análisis papel

Termografía


Cau

saTi

po

efec

to

Dia

gnós

tico




ESTADOTÉCNICA


MECÁNICOS

1. Corriente de excitación2. Impulso de baja tensión3. Análisis de respuesta de frecuencia4. Medida de la inductancia de fuga5. Capacidad


AAAAA

MLH

M/HH

TÉRMICOS


ONON

AA

HM


ONON

BB

M/HM/H


ONON

BA

LH

DIELÉCTRICOS


ON A M



ONON

BB

M / HM / H

16. Factor de Potencia y Capacidad17. Respuesta Frecuencia Dieléctrica

OFF-SOFF-S

AA

HH




Diagnóstico de TransformadoresEvaluación de Propiedades Eléctricas

n Objeto de la medida de Descargas Parciales

n Una descarga parcial es una disrupcióntransitoria del aislamiento entre doselectrodos de diferente potencial.

n Una descarga parcial excesiva dará lugara una degradación que producirá la ruptura

prematura del mismo.

n Ejemplos según el medio:

a) burbuja en un aislante líquido.

b) Partícula metálica en un aislamiento sólido.

c) un electrodo al aire . El termino corona seusa para definir una descarga al aire.



Calibración y sistema de medida de PD paratransformadores; Bornas con tomas capacitivas

Evaluación de Propiedades Eléctricas

n Principio de medida

n Cualquier diferencia entre lacapacidad del objeto y el elemento decalibración se manifestará como un

pico de corriente

n Dicho pico, originará una variacióninstantánea de la tensión medida en

la impedancia de medida Zm.

n La carga medida en pC correspondea la variación de tensión DV originada

por la descarga.

n La descarga puede ser interna oexterna al objeto.


Diagnóstico de TransformadoresEvaluación de Propiedades Eléctricas

n Procedimiento de medida estándar

n Calibrar el circuito de medida, con el fin de identificar eficazmente lasdescargas.

n Normalmente, la medida de descargas parciales se realiza con el ensayo detensión inducida (CEI 60076)

n Es importante identificar el ruido ambiente para evitar interpretacionesincorrectas. En campo en muy difícil conseguir un ruido ambiente bajo.

n Referencias:n <300 pC al 130% Ur

n <500 pC al 150%

n <100 pC al 110% de manera continua

n <10 pC en transformadores encapsulados



n Medidas eléctricas de PD. Resolución en fase

Registro de impulsos de PD en Sistema avanzado PD (Análisis estadístico)

Sistema avanzado PD, ICMsystem


n Fuentes externas PDn Alimentación en BT, sistemas auxiliares, iluminación.

n Origen en la fuente AT. Uso de filtros externos

n Conexiones, puntas y electrodos no apantallados

n Acoplamiento capacitivo no libre de descargas

n Conductores cercanos



n Medidas eléctricas de PD en transformadoresFuentes típicas de PD en el aislamiento del transformador

Fuente PD Dibujo esquemático Patrón típico PD

Material conductorcon contactodirecto al electrodometálico

Material conductorsin contacto con elelectrodo metálico

Material noconductor concontacto directo alelectrodo metálico


Fuente PD Dibujo esquemático Patrón típico PD

Material conductorcon contactodirecto al electrodometálico

Material conductorsin contacto con elelectrodo metálico

Material noconductor concontacto directo alelectrodo metálico

Material noconductor sincontacto con elelectrodometálico

Material noconductor sincontacto con elelectrodometálico y consuperficiecambiante debidoa la PD



n Medidas eléctricas de PD en transformadores




Defecto PD Dibujo esquemático Patrón PD medidos Comportamientodurante el ensayo

Procedimientorecomendado

Partículaconductora enel aceite

Retraso en elcomienzo

Cambio patrón PD

Patrón PD tipo 5

Condicionamiento de lapunta del electrodomediante ensayos delarga duración.

Atención: puede causaravería eléctrica

Partículaconductora enel materialaislante

Cambio patrón PD

Se pueden generarrestoscarbonizados

Patrón PD tipo 5

Ensayo de largaduración medianteobservación delcomportamiento delpatrón PD

Atención: riesgo avería

Mal contacto No DP en ensayode superior nivel detensión

Patrón PD tipo 5

Ensayo de largaduración medianteobservación delcomportamiento delpatrón PD


Defectos PD típicos en materiales de aislamiento : Patrón PD Tipo 2




Defecto PD Dibujo esquemático Patrón PD medidos Comp.durante test

Procedimientorecomendado

Burbujas en elaceite

Posiblecambio patrónPD

Tiempos fijos más largos

Ensayo de larga duración

Desgasificación del aceite

Rellenado de aceite a vacío

Burbujas en elmaterial deaislamientosólido (papel,catón)

Cambiopatrón PD

Se puedengenerar restoscarbonizados

Ensayo de larga duraciónmediante observación delcomportamiento del patrónPD


Burbujasdebidas a lahumedad delsistema deaislamiento(humedadlocal)

Amplitudes decargaaparente muyaltas

Re – secado deltransformador

Defectos PD típicos en materiales de aislamiento : Patrón PD Tipos 3 y 4




ΔW1 =q1 · ΔV1


Sensor Piezoeléctrico R15α

n En trafos, la propagación de las ondas estáfuertemente influenciada por su aislamiento.

n Localización de la fuente de la DP.

método de triangulación

n Medidas de descarga parcial acústican Señal de DP acústica: vibración mecánica caracterizada por su frecuencia.

n La intensidad de las ondas acústicas es proporcional a la energía liberada:

ΔW1 = energía liberada

q1 = carga local

ΔV1 = caída de tensión

Métodos de DiagnósticoTécnicas de Diagnóstico más importantes de Pararrayos



PROBLEMAS TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICOCONDICIONES DE

SERVICIO DELEQUIPO [1]

ESTADO DE LATÉCNICA DE

DIAGNÓSTICO[2]


DELDIAGNÓSTICO

[3]

REFERENCIA

PARARRAYOS CONVENCIONALES

Polución externa - Inspección visual- Medida de la corriente externa de fugas

ONON

A?

LL

Calentamiento -Termografía ON A M

Deterioro delsistema de descarga

- Corriente de fugas bajo tensióncontrolada- Pérdidas (W) a tensión controlada- Tensión de arco 50/60 Hz

OFF-SOFF-SOFF-S

AAA

HHH

[i]2828

PARARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS

Polución externa - Inspección visual- Medida de la corriente externa de fugas

ONON

A?

LL

Deterioro devaristores

- Corriente de fugas- Descomposición armónica de la corrientede fugas- Pico de la corriente resistiva- Tercer armónico de la corriente resistiva- Tensión de referencia

ONONONON

OFF-L

AAABA

LMHHH

[ii]28[iii]

¿Preguntas?


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