Capacitación en seguridad eléctrica y mantenimiento eléctrico de AVO

Técnicas de prueba de transformadores y desarrollo estándar: informe técnico

Artículo original publicado en NETA Winter Journal 2015

21 de marzo de 2016: los fabricantes de transformadores y los operadores de campo siempre se han beneficiado cuando se aplican nuevas tecnologías durante los procesos de diseño, fabricación, puesta en servicio y operación que mejoran la calidad y la confiabilidad de los aparatos eléctricos.

Las nuevas herramientas computacionales y la investigación continua de personas del sector académico, público o privado han creado mejores materiales capaces de soportar condiciones de servicio exigentes, ahorrar espacio y minimizar las pérdidas de energía. A medida que la tecnología de fabricación avanza a este ritmo acelerado, las metodologías de prueba deben evolucionar para mantener el ritmo. Los avances en electrónica de potencia y tecnología informática conducen a instrumentos de campo más precisos, fiables, portátiles y fáciles de usar.

A medida que los avances tecnológicos y las nuevas metodologías de prueba están más disponibles para el personal de prueba de transformadores, ¿cómo podemos mantenernos al día con esta avalancha de alternativas nuevas y prometedoras, que a primera vista parecen resolver todos nuestros problemas de diagnóstico? Una forma es siguiendo las actividades de las instituciones reguladoras nacionales e internacionales que enfocan sus recursos en mantenerse al día con los últimos desarrollos tecnológicos para el diseño, construcción, operación, prueba, mantenimiento e incluso investigaciones post-mortem de transformadores de potencia y distribución. IEEE, NETA, CIGRE e IEC son las mejores referencias en esta área.

Comenzando con la prueba de aceptación en fábrica (FAT) de un transformador y continuando con su vida útil, se evalúan los parámetros mecánicos, dieléctricos, térmicos y electromagnéticos. Una vez que el transformador ha pasado la FAT, está listo para enviarse a un nuevo sitio, donde un equipo de pruebas pondrá en marcha la unidad antes de la energización. El siguiente paso es seguir los estándares.

ESTÁNDAR IEEE C57.152-2013

IEEE es la asociación profesional más grande del mundo dedicada a promover la innovación tecnológica y la excelencia en beneficio de la humanidad. El comité de transformadores de IEEE maneja todos los asuntos relacionados con la aplicación, diseño, construcción, prueba y operación de transformadores, reactores y otros equipos similares.

El Comité de transformadores de IEEE se reunió en Dallas en 2007 para revisar la guía existente para pruebas de rutina en el campo, IEEE 62, Guía para pruebas de campo de diagnóstico de aparatos de energía eléctrica: transformadores, reguladores y reactores de energía llenos de aceite (R2005). En ese momento, una gran cantidad de metodologías y prácticas de prueba antiguas y nuevas se usaban en el campo, pero no estaban cubiertas por el estándar IEEE 62. Era lógico crear una guía nueva o revisada bajo la serie estándar C57. Los estándares C57 ya contenían otras pautas relacionadas con transformadores administradas y supervisadas por el Comité de Transformadores de IEEE (Figura 1).

La nueva guía para las pruebas de campo de diagnóstico de transformadores de potencia, reguladores y reactores llenos de líquido fue votada y aprobada por RevComm en 2013. El trabajo fue dirigido por Jane Verner (presidenta), Loren Wagenaar (vicepresidenta), Kipp Yule (secretaria) , y apoyado por muchos miembros de IEEE que dedicaron largas horas en revisiones y contribuciones a la nueva guía.

La comparación entre IEEE 62 e IEEE C57.152 aporta algo más a esta discusión. El nuevo Cuadro de Pruebas Diagnósticas complementa al anterior, manteniendo las prácticas existentes y añadiendo aquellos métodos no considerados anteriormente. Un análisis comparativo muestra que se agregaron las siguientes metodologías a la nueva guía:

Devanados:

Líquido aislante:

Transformadores de corriente:

IEEE C57.152 (Capítulo 5) también consideró la importancia de proporcionar un cuadro de mantenimiento donde el usuario final pudiera seleccionar las prácticas de prueba recomendadas (REC), según sea necesario (AN) y opcionales (OPT) para diferentes etapas durante la vida útil. del transformador: puesta en marcha, en servicio, después del disparo de la protección por falla del sistema, o después del disparo de la protección por falla interna. En este cuadro, el voltaje inducido y la respuesta de frecuencia dieléctrica (DFR) se enumeran como técnicas opcionales.

No solo se enumeran más metodologías de prueba en las nuevas tablas de mantenimiento y diagnóstico, sino que también se incluyen nuevos anexos desarrollados para complementar la guía con respecto a estas nuevas incorporaciones:

Solo se incluyó información general sobre FRA y DFR en los anexos F y G porque cuando C57.152 estaba a punto de publicarse, otros grupos de trabajo estaban desarrollando pautas específicas para las técnicas de diagnóstico avanzadas de SFRA y DFR. Las técnicas de respuesta de frecuencia se han utilizado en el campo durante más de 20 años. Investigadores de todo el mundo han descubierto que SFRA y DFR son útiles no solo en el diagnóstico de transformadores, sino también en otros aparatos eléctricos en el campo.

Por ahora, el enfoque está en los transformadores donde la condición electromecánica y dieléctrica se puede evaluar y rastrear para un mejor diagnóstico e interpretación de los resultados. En 2012, se creó un nuevo grupo de trabajo dentro del Comité de transformadores de IEEE para desarrollar una guía para el análisis de DFR, PC57.161, que actualmente se encuentra en desarrollo.

CIGRE

Fundado en 1921, el Consejo de Grandes Sistemas Eléctricos (CIGRE) es una asociación internacional sin fines de lucro que une fuerzas con expertos de todo el mundo para mejorar los sistemas de energía eléctrica de hoy y de mañana. Por supuesto, el tema del transformador está cubierto por varios folletos técnicos dedicados a áreas particulares de interés en los campos científico y operativo.

CIGRE 445, la guía para el mantenimiento de transformadores, proporciona una matriz de diagnóstico donde se traza una línea para diferenciar las pruebas eléctricas básicas de las pruebas eléctricas avanzadas (Figura 2). En esta publicación, las técnicas de respuesta de frecuencia en los dominios de tiempo y frecuencia se agrupan junto con las pruebas de descarga parcial (DP) como técnicas de diagnóstico eléctrico avanzadas.

CIGRE fue pionero en la publicación de directrices dedicadas a los métodos de respuesta de frecuencia. En 2008, CIGRE publicó el Folleto técnico 342: Evaluación de la condición mecánica de los devanados de transformadores mediante análisis de respuesta de frecuencia (FRA). Este documento es una excelente referencia que describe los principios de FRA, las mejores prácticas sugeridas para realizar mediciones repetibles y una guía para la interpretación.

CIGRE también emprendió un gran proyecto para investigar la respuesta de frecuencia de los componentes dieléctricos dentro del transformador, publicando el Folleto técnico 414: Diagnósticos de respuesta dieléctrica para devanados de transformadores en 2010. Como antes, CIGRE proporcionó un documento bien desarrollado que describe el modelo de respuesta dieléctrica del transformador. , las mejores prácticas de prueba y las pautas para la interpretación de los resultados.

CEI

Fundada en 1906, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) es la organización líder mundial en la preparación y publicación de estándares internacionales para todas las tecnologías eléctricas, electrónicas y relacionadas.

Preparada por el Comité Técnico 14, la serie de normas IEC 60046 cubre áreas técnicas relacionadas con los transformadores. La norma IEC 60046-1 (2011) es la última revisión disponible para transformadores de potencia y la IEC 60046-18 Ed. 1 (2012) aborda la metodología, las mejores prácticas y los requisitos mínimos para el equipo de medición, así como sugerencias sobre cómo formatear los datos resultantes de la prueba.

IEC 60046-18 también incluye varios anexos. El Anexo A cubre las conexiones de los cables de medición. Esto es a veces crítico, especialmente cuando el operador no está aplicando una malla de tierra ajustable al aislador del transformador. En los intentos posteriores de generar la firma del transformador, es casi imposible replicar la banda de alta frecuencia. La distancia más corta entre el terminal del bushing y la brida inferior del bushing es recomendada y abordada por CIGRE en el Folleto técnico 342.

El Anexo B cubre los factores que influyen en las mediciones de FRA, incluida la magnetización residual, el uso de diferentes líquidos y el nivel de líquido que se llena en el tanque, la temperatura y otros. También incluye algunos ejemplos de daños confirmados en los devanados detectados por la prueba FRA. El Anexo C cubre las aplicaciones de FRA, y el Anexo D proporciona ejemplos de configuraciones de medición.

DIAGNÓSTICO AVANZADO DE TRANSFORMADORES MEDIANTE TÉCNICAS DE RESPUESTA EN FRECUENCIA

Los objetivos y el alcance de cada método de respuesta de frecuencia deben entenderse claramente antes de que pueda elegirse para la aplicación más adecuada.

El análisis de respuesta de frecuencia o análisis de respuesta de frecuencia de barrido (SFRA) es una prueba comparativa para evaluar la condición electromecánica del transformador. Las desviaciones entre las respuestas de frecuencia indican cambios mecánicos y/o eléctricos en la parte activa de un transformador.

La respuesta de frecuencia dieléctrica o espectroscopia de dominio de frecuencia (FDS) es una prueba para evaluar el estado general del aislamiento del transformador. Esta evaluación general del aislamiento permite al usuario identificar:

Una mirada más profunda a cada técnica es útil para comprender sus ventajas.

ANÁLISIS DE RESPUESTA DE FRECUENCIA DE BARRIDO

De acuerdo con la teoría de control, el comportamiento de un sistema lineal de entrada única y salida única (SISO) se puede describir con una respuesta de impulso h(t) o su función de transferencia H(j ω ) (Figura 3).

En el caso de los transformadores de potencia, el fenómeno electromagnético está bien descrito por diferentes leyes (Faraday, Lenz, Ampere); mediante una simple inspección, es fácil comprender que la estructura física del devanado se puede representar en el lenguaje eléctrico mediante un circuito complejo RLC con múltiples combinaciones en serie y en paralelo de estos componentes (Figura 4).

La señal de entrada de CA aplicada a un extremo del devanado a una frecuencia específica pasa a través del complejo circuito eléctrico del devanado y al otro extremo. El voltaje de salida se mide en magnitud y fase. Esta información permite la interpretación y medición de la impedancia efectiva del devanado a esa frecuencia específica.

La frecuencia oscila entre 20 Hz y 2 MHz. Los instrumentos disponibles en el campo tienen bandas de frecuencia que van desde valores muy bajos hasta frecuencias superiores a 20Mhz. Por lo general, un límite superior de 2 MHz es suficiente para los transformadores de potencia y se puede obtener una respuesta clara y repetible del circuito magnético desde 20 Hz hasta aproximadamente 2 kHz, según el diseño del transformador. IEEE e IEC han establecido límites de referencia en la respuesta de frecuencia para identificar las diferentes secciones del transformador (Figura 5).

Una buena práctica de conexión a tierra permite lecturas precisas y repetibles (Figura 6). Asegúrese de que la conexión trenzada a tierra a la brida inferior del aislador sea sólida y que la brida esté conectada a tierra. A veces, la oxidación o la pintura no permiten una buena conexión a tierra y aparecerán mensajes de error de la unidad que no detecta el voltaje esperado.

Una cosa importante a destacar con respecto a una medición SFRA es que proporciona un escaneo muy claro de la construcción electromecánica, pero la interpretación siempre se puede validar con una técnica de prueba diferente (Tabla 1).

RESPUESTA DE FRECUENCIA DIELÉCTRICA

Esta técnica ya la utilizan muchas empresas de servicios públicos y fabricantes de transformadores, que se han beneficiado enormemente de la gran cantidad de información recopilada a partir de la respuesta dieléctrica única e individual del aislamiento del transformador.

El procedimiento de prueba es bastante similar al que se aplica para la prueba del factor de potencia o del factor de disipación. La principal diferencia es la banda de frecuencia amplia utilizada por DFR. El ejemplo simple de un transformador de dos devanados muestra los tres electrodos necesarios para completar la prueba: HV, LV y tierra (Figura 7). Se aplica una señal de CA de excitación a un electrodo en una amplia gama de frecuencias, generalmente de 1 kHz a 1 mHz, y se mide la corriente.

en el otro electrodo. El ensayo se realiza a baja tensión (200Vp) para ensayo de transformadores. Para entornos con alta interferencia, un amplificador de voltaje aumenta la relación señal-ruido. El uso de un amplificador de tensión es fundamental para el análisis de bushings y transformadores de medida.

Un transformador de dos devanados puede analizar lo siguiente:

La respuesta es una combinación de un sistema dieléctrico complejo de dos materiales. Para la mayoría de los transformadores de potencia, el aislamiento complejo se compone de aislamiento líquido (aceite mineral) y aislamiento sólido (celulosa). La respuesta dieléctrica de estos dos materiales proporciona una comprensión profunda del sistema de aislamiento y permite diferenciar entre la condición del aislamiento líquido frente a la condición del aislamiento sólido.

Un ejemplo de un transformador en excelentes condiciones se presenta en la Figura 8. La humedad en el aislamiento sólido es solo del 1% y la conductividad del aceite es de 1x10 -13 . La temperatura del sistema de aislamiento en este ejemplo es de 20°C.

Para la interpretación de los resultados de DFR, el modelo XY explica la relación entre el aislamiento sólido, el aislamiento líquido y la geometría del sistema. El modelo XY está bien descrito en CIGRE 414 y se describe brevemente a continuación en la Figura 9.

Siguiendo el modelo XY y utilizando las matemáticas para hacer coincidir las lecturas con las de una base de datos bien desarrollada, los usuarios pueden determinar la concentración de humedad en el aislamiento sólido y la conductividad (σ) del aislamiento líquido. La información indica el estado general del aislamiento y es una herramienta simple pero poderosa para coordinar y priorizar las acciones necesarias que se deben tomar en un transformador.

Tenga en cuenta que DFR no es un invento del último milenio; se desarrolló a mediados de la década de 1990 y sigue evolucionando. Debido a que tiene una efectividad comprobada en el campo, sus aplicaciones crecen cada día. Sin duda, parte de este desarrollo es el uso de un sistema de medición multifrecuencia capaz de reducir el tiempo de prueba en casi un 40% en el dominio de la frecuencia. El tiempo de prueba es crítico para los usuarios finales que están limitados a procedimientos de prueba rápidos antes de volver a energizar un transformador en el campo, o como parte de un apagado planificado con fines de mantenimiento. Además, si el transformador estaba bajo carga pero desenergizado y configurado para la prueba, un tiempo de prueba de DFR prolongado puede generar cambios térmicos en el aislamiento que afectarán la precisión de los resultados: cuanto menor sea la frecuencia, más tiempo se necesitará para completar el procedimiento de prueba. .

Se ha recomendado a los usuarios finales una correlación entre la temperatura y la frecuencia mínima para completar la prueba. Esto permite la adquisición de datos suficientes para estimar el contenido de humedad en el aislamiento sólido y la conductividad del aislamiento líquido. Curiosamente, otros factores además de la temperatura influyen en la respuesta: el efecto térmico cambia la respuesta dieléctrica a frecuencias más altas a temperaturas más altas y a frecuencias más bajas a temperaturas más bajas. Este fenómeno dio lugar a otra aplicación: la identificación del comportamiento térmico de parámetros dieléctricos como el Factor de Potencia y el Factor de Disipación. En otras palabras, DFR abrió la puerta para la transición del dominio de la frecuencia al dominio de la temperatura del sistema de aislamiento, incluido su uso para una corrección de temperatura individual precisa de los valores del factor de potencia a la frecuencia de la línea o más allá de los valores de referencia a 20 °C. o cualquier otra temperatura de cinco a 60°C con una precisión muy alta.

CONCLUSIONES

La tecnología avanza rápidamente. Los grandes avances en electrónica de potencia, telecomunicaciones y nanomateriales abrieron nuevas oportunidades para explorar con más detalle el estado de los componentes críticos instalados en el sistema de energía eléctrica.

A medida que avanza la tecnología, se desarrollan nuevas técnicas de prueba y la comunidad internacional debe comprender los beneficios y las limitaciones de estas técnicas. Las diferentes instituciones que trabajan en todo el mundo para proporcionar las mejores prácticas y directrices se basan en el conocimiento y la experiencia de los fabricantes de transformadores, académicos, investigadores, usuarios de campo y fabricantes de instrumentos que trabajan juntos por los mejores intereses de la comunidad técnica.

Las nuevas tecnologías deben probarse y probarse en el campo antes de llamar la atención de los comités internacionales para desarrollar las recomendaciones necesarias basadas en hechos reales y necesidades reales de los usuarios finales. Los comités internacionales pasan por un proceso que puede llevar varios años antes de crear y publicar una nueva guía. Esta es la única manera de recopilar en un solo documento el conocimiento y la experiencia de toda la comunidad técnica involucrada en esta honorable actividad.

SFRA es una de las herramientas más importantes para diagnosticar posibles problemas mecánicos en los devanados de transformadores. Claramente, DFR está ganando más importancia dentro de las empresas de servicios públicos al proporcionar una descripción completa del sistema dieléctrico dentro del transformador, lo que permite a los usuarios finales identificar problemas de contaminación del agua dentro del aislamiento sólido o alta conductividad en el aislamiento líquido.

Se necesita más discusión sobre estas tecnologías avanzadas. Las publicaciones técnicas más relevantes del mundo y las organizaciones internacionales de normalización han recopilado y publicado una gran cantidad de información, así que utilícela para mantener actualizadas las herramientas de diagnóstico de transformadores.

Diego Robalino es ingeniero sénior de aplicaciones en Megger, se especializa en el diagnóstico de procedimientos de prueba eléctricos complejos y apoya al Instituto de Capacitación AVO en su evaluación y desarrollo de material académico estratégico. Mientras investigaba la optimización del sistema de energía con un enfoque en la infraestructura obsoleta, Robalino recibió su doctorado en ingeniería eléctrica de la Universidad Tecnológica de Tennessee. Tiene 20 años de experiencia en la profesión de ingeniería eléctrica, incluidas responsabilidades de gestión en sistemas de energía, petróleo y gas, y campos de investigación, así como la gestión del diseño, la construcción y la puesta en marcha de proyectos eléctricos y electromecánicos. Robalino es miembro sénior de IEEE y miembro del Comité de transformadores de IEEE.

Técnicas de prueba de transformadores AVO

 

 

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