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5 Pruebas Eléctricas para Diagnóstico y Mantenimiento de Transformadores Ing. Cesar Paul Castellanos castellanos@oropezaingenieros.com Pto Vallarta, Junio 2015 Introducción El transformador es probablemente una de las máquinas eléctricas más útiles que se ha inventado. Este dispositivo puede elevar o reducir voltaje, así como corriente en un circuito de CA, lo cual permite transmitir energía eléctrica a través de grandes distancias y distribuirla de manera segura en industrias y hogares. Generación TR Elevador Transmisión TR Reductor Distribución Funcionamiento del Transformador PE = V1 x I1 PS = V2 x I2 ¿Por qué las Compañías Eléctricas Utilizan Transformadores? 1. Permite manejar el nivel de voltaje a conveniencia. 2. Es una máquina confiable sin partes móviles. 3. Grandes cantidades de energía pueden ser transmitidas de un lugar a otro con bajas pérdidas. Alto voltaje = Baja corriente Baja corriente = menores pérdidas Tipos de Transformador en la Industria POTENCIA POSTE AUTO TRANSFORMADOR JARDIN ALUMBRADO RURAL Transformador: Principales Componentes Conductores eléctricos / Devanados Núcleo magnético Aislamiento: Papel Aceite Cambiador de derivación Boquillas Sistema de enfriamiento Sistema de protección Fuente: Siemens Aislamiento: Papel Función: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánico Material: Papel Kraft, papel crepe, cartón prensado Aislamiento: Aceite Función: Aislar los potenciales, reducir calentamiento y mantener alejada la humedad Material: Aceite mineral, silicona, aire, nitrógeno, SF6 Pruebas de Mantenimiento: Objetivo Evitar fallas, continuidad en el servicio. El diagnóstico se basa en la recolección de información confiable para tomar la decisión correcta. Tomar la decisión correcta ahorra dinero y tiempo. FP MEGGER ACEITE RESISTENCIA DE DEVANADOS TTR Modelo Básico de Falla en un Transformador Pruebas de Mantenimiento: Enfoque Partiendo de los componentes internos del transformador, podemos dividir la pruebas eléctricas de acuerdo a su enfoque: Pruebas “Dieléctricas”: (Sistema aislante) Resistencia de aislamiento Capacitancia y Factor de potencia Rigidez dieléctrica del aceite Pruebas “Eléctricas”: (Sistema mecánico) Resistencia óhmica de devanados Relación de transformación, polaridad y fase Corriente de excitación Estándar de Pruebas IEEE C57.152 Guía para Pruebas de Campo Y pensar que todo inició con la prueba de “Megger”… y el giro de una manivela … Resistencia de Aislamiento Resistencia de Aislamiento La resistencia eléctrica se define como la oposición que ofrece un material aislante a la circulación de corriente, cuando se le aplica una diferencia de potencial. La corriente resultante de la aplicación de un voltaje en un material aislante, se conoce como corriente de fuga. Esta prueba se realiza en CD. Resistencia de Aislamiento La prueba es comúnmente conocida como Megger / Megado, y se ejecuta conforme a lo solicitado en el estándar IEEE C57 e IEC 60076 para evaluación aparatos eléctricos. Típicamente se realiza a 5000 V. (Dependiendo del dispositivo bajo prueba y su voltaje de operación) Factores que afectan la prueba: contaminación en el aislamiento, humedad y la temperatura. Resistencia de Aislamiento La prueba se realiza en dominio del tiempo, es decir, se ejecuta a 1 minuto para obtener el índice de absorción dieléctrico (DAR) y a 10 minutos para obtener el índice de polarización (PI). Los valores medidos se utilizan para obtener una gráfica del comportamiento del aislamiento. La Prueba en Campo Seguridad !!!, Transformador a evaluar fuera de operación. Corto-circuitos en los devanados de alta y de baja tensión. Limpieza de boquillas. Utilizar el circuito de guarda para asegurar la medición. (sin resistencias en paralelo / serie) Utilizar cables aislados y blindados para obtener una lectura limpia. Rango de medición amplio para crear una tendencia. (15 / 35 TΩ) Instrumento para trabajar en subestaciones energizadas. (CAT IV 600V & EMC 61326) Conexiones Transformador, 2 devanados Primario vs Secundario, Guardando el Tanque. Primario vs Tanque, Guardando el Secundario. Secundario vs Tanque, Guardando el Primario. El objetivo es evaluar el sistema de aislamiento de un equipo eléctrico entre sus partes energizadas y respecto de tierra. Línea Guarda Tierra Conexiones Auto-Transformador, con Terciario Primario vs Terciario, Guardando el Tanque. Primario vs Tanque, Guardando el Terciario. Terciario vs Tanque, Guardando el Primario. Línea Guarda Tierra Conexiones Boquilla, con conexión Guarda Línea Guarda Tierra Conexiones Cable tripolar con malla, con conexión Guarda Línea Guarda Tierra Conexiones Interruptor, con conexión Guarda Línea Guarda Tierra Relación de Transformación Relación de Transformación La relación de transformación, se define como la relación del número de vueltas del devanado primario, respecto del número de vueltas del devanado secundario. Esta prueba es mejor conocida como TTR (por sus siglas en inglés) y se realiza de conformidad con el estándar de pruebas IEEE C57 La prueba se realiza en CA. Relación de Transformación Esta prueba se utiliza para detectar los siguientes problemas: Defectos de fabricación en los devanados. Polaridad incorrecta. Corto-circuito entre espiras. Falla del devanado a tierra. (Fase aterrizada) Conexiones de alta resistencia. Cambiador de derivación defectuoso. La relación medida debe estar dentro del 0.50% del valor de placa, como error máximo aceptable. Relación de Transformación Para todas las mediciones de TTR se considera que: « La relación de voltaje de un transformador en vacío es igual a la relación entre el número de espiras» TTR = NP / Ns = VP / Vs Donde: NP = Número de vueltas del primario Ns = Número de vueltas del secundario VP = Voltaje del primario Vs = Voltaje del secundario TTR de manivela Diagramas de Conexión, ANSI La Prueba en Campo Limpieza y buena conexión de las terminales. Identificar la posición del cambiador de derivaciones. Excite el devanado primario con un voltaje conocido y mida el voltaje inducido en el devanado secundario. La corriente generada en el devanado donde se aplica el voltaje, se le conoce como la corriente de excitación. Ejemplo: TR 1Φ, 2 Devanados Conexiones Transformador monofásico Estándar de prueba: ANSI Diagrama de conexión: No. 1 Los cables de prueba H0, H3, X0 y X3 deben permanecer desconectados y aislados del transformador Conexiones Auto-Transformador con terciario Estándar de prueba: ANSI Diagrama de conexión: No. 1 Los cables de prueba H0, H3, X0 y X3 deben permanecer desconectados y aislados del transformador Conexiones Transformador, 2 devanados, D/Y Estándar de prueba: ANSI Diagrama de conexión: No. 5 El cable de prueba H0, debe permanecer desconectado y aislado del transformador Factor de Potencia Factor de Potencia Es la técnica de prueba eléctrica, en la que se aplica una tensión alterna (CA) para medir la corriente de fuga / pérdidas en el aislamiento eléctrico de conformidad con IEEE C57 El objetivo es medir los valores de capacitancia y de Tgδ (Factor de Potencia o Disipación) de las diferentes combinaciones del sistema de aislamiento del Transformador. Factor de Potencia Todo sistema de aislamiento, sin importar su condición, tiene una cantidad medible de pérdidas eléctricas. El envejecimiento del material aislante, causa incremento en las pérdidas del sistema de aislamiento (dieléctrico). Factor de Potencia Esta prueba se utiliza para detectar los siguientes problemas: Determina si el aislamiento ha experimentado cambio físicos en su estructura. Es sensible a cambios en la estructura del aislamiento ocasionados por contaminación, humedad y envejecimiento. En cualquier caso, proporciona una idea de las pérdidas dieléctricas en el aislamiento. Tendencia / Historial, Importante!!! Valores de referencia: Factor de disipación [%] Estado 0.5 < Bueno 0.5 - 0.7 Deterioro normal 0.7 - 1 Requiere investigación >1 Deterioro excesivo Factor de Potencia El sistema de aislamiento de un transformador puede ser modelado con un capacitor. La capacitancia del capacitor depende de las características del material dieléctrico y su geometría. Si estas características cambian, inevitablemente 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. La Prueba en Campo Seguridad !!!, Transformador a evaluar fuera de operación. Corto-circuitos en los devanados de alta y de baja tensión. Medir capacitancia entre devanados / devanados vs tanque. La prueba se realiza típicamente a 10 kV Circuito capacitivo equivalente del aislamiento Factor de Potencia Sistemas de Aislamiento Papel/Aceite Factor de Potencia no es dependiente con la tensión. Aislamiento tipo Seco Factor de Potencia es dependiente con la tensión. Conexiones Transformador, 2 devanados Factor de potencia, 10 kV Primario vs Secundario (UST) Primario vs Tanque, guardando Secundario (GST, guarda) Primario vs Secundario + Primario vs Tanque (GST, tierra) Conexiones Auto-Transformador, con Terciario Factor de potencia, 10 kV Primario vs Terciario (UST) Primario vs Tanque, guardando Terciario (GST, guarda) Primario vs Terciario + Primario vs Tanque (GST, tierra) Resistencia de Devanados Resistencia de Devanados La medición de resistencia de devanados en una prueba común en transformadores de potencia. Sirve para verificar que no existen problemas de conexión y/o daño en los devanados. Esta prueba es también conocida como resistencia óhmica de devanados y se realiza de conformidad con el estándar de pruebas IEEE C57 La prueba se realiza en CD. Resistencia de Devanados Se realiza para detectar: Contactos flojos o deteriorados. Cambiador de derivaciones en mal estado. Espiras en corto del devanado. Devanado abierto. La Prueba en Campo Corriente de prueba: No exceda el 10% del valor de la corriente nominal. Esto podría causar lecturas erróneas debido al calentamiento del devanado. Típicamente la corriente de prueba es entre 1 y el 10% del valor nominal. Si la corriente de prueba es muy baja, las lecturas de resistencia no serán consistentes. Resultados Interpretación de resultados: Comparar la lecturas contra valores de fábrica y mediciones previas. Comparación entre fases. Los estándares de prueba, recomiendan una diferencia máxima del 2-3% de los valores de resistencia entre las tres fases. Sugerencia: (IEEE C57) Valor medido respecto de valor de referencia: < 5% Desmagnetización Al realizar pruebas en CD en un transformador, existe el riesgo de magnetizar el núcleo. Es por ello que la IEEE C57, recomiendan desmagnetizar el núcleo antes de poner el transformador en servicio, evitando así corrientes de «In-rush» +100% of Test current +10% Positive polarity +0.1% -0.01% -1% -100% Negative polarity Conexiones Transformador, 2 devanados Corriente + Puente Corriente - Canal 1 Volta je + Canal 1 Voltaje - Canal 2 Volta je + Canal 2 Voltaje - H1 H2-X1 X2 H1 H2 X1 X2 Desempeño en campo Prueba en cambiador de derivaciones: Cambiador de derivaciones nuevo. MTO210 Desempeño en campo Prueba en cambiador de derivaciones: Cambiador de derivaciones viejo, en mal estado. MTO210 Rigidez Dieléctrica del Aceite Rigidez Dieléctrica del Aceite La rigidez dieléctrica es una medida de la capacidad que tiene un aceite dieléctrico para soportar esfuerzos eléctricos. El valor de rigidez dieléctrica sirve principalmente para indicar la presencia de contaminantes como agua y contaminación. Esta prueba es mejor conocida como Rigidez Dieléctrica del Aceite y se realiza de conformidad con el estándar de pruebas ASTM D877, ASTM D1816 e IEC 60156 La prueba se realiza en CA. Rigidez Dieléctrica del Aceite Estándar de pruebas más comúnmente utilizados: Estándar: Distancia Electrodos: Forma de los Electrodos: Tamaño de Recipiente: Incremento de Voltaje: Tiempo de Agitamiento: Tiempo de Reposo: IEC 60156 2.5 mm Esféricos 300 - 500 ml 2 kV/s 1 minuto 1 minuto ASTM D1816 2.0 mm Hongo 500 ml / 950 ml 0.5 kV/s 1 minuto 1 minuto ASTM D877 2.5 mm Cilíndricos 300 - 500 ml 3 kV/s N/A 1 minuto La Prueba en Campo Ajustes pre-operativos: Seleccione el tipo de electrodos conforme al estándar de prueba deseado. Ajuste la separación entre los electrodos utilizando las galgas de calibración. Utilice la tapa con agitador motorizado, si el estándar de prueba lo requiere. Ubique el instrumento de prueba sobre una superficie nivelada. (preferentemente) Seleccione el estándar de prueba en el instrumento y ejecute la prueba. Precauciones y cuidados Seguridad y cuidados: Tenga presente que es una prueba de alto voltaje. Usar solamente para aceites aislantes de interruptores y transformadores. Retirar el recipiente de prueba del equipo cuando se ajustan los electrodos. El equipo NO opera si la tapa se encuentra abierta. El equipo NO debe operarse si se detecta alguna parte dañada. Retirar el aceite derramado después de terminadas las pruebas. ”La vida de un transformador es la vida del aislamiento, y la vida del aislamiento es un factor controlable” Transformer Maintenance Guide, Transformer Maintenance Institute S.D. Myers Preguntas!!! castellanos@oropezaingenieros.com Oropeza Ingenieros S.A. de C.V. “La solución a sus necesidades de medición y pruebas eléctricas”