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INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V.
M.C. Rodrigo Ocón V.
6 JUNIO 2007
INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V.
RESUMEN
Recientemente, las técnicas de análisis en frecuencia se han aplicado con buenos
resultados dentro del diagnóstico de transformadores de potencia.
En primer lugar se mencionan los aspectos generales del Análisis de Respuesta en
Frecuencia (FRA) para la detección de deformaciones mecánicas en devanados de
transformadores.
Posteriormente, se presenta un resumen de la historia de esta técnica de diagnóstico,
equipos y conexiones del transformador durante las pruebas y algunos ejemplos de
diagnóstico con FRA son incluidos con el fin de mostrar la aplicación del método.
En la parte final se hace mención del estado del arte actual en México y el mundo
INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V.
Resumen de Técnicas de Diagnóstico más populares
Prueba
Detecta
Técnicas con transformador energizado
Análisis de gases disueltos (DGA).
Arqueo interno, mal contacto eléctrico, puntos
calientes, descargas parciales y sobrecalentamiento
de conductores, aceite y aislamientos.
Pruebas físicas y químicas del aceite.
Humedad, acidez, tensión superficial, furanos,
rigidez dieléctrica y factor de potencia.
Inspección externa física.
Fugas de aceite, partes rotas, pintura dañada,
defectos en las estructuras de soporte, operación
ruidosa, conexiones flojas, problemas con los
ventiladores y bombas de enfriamiento.
Temperaturas externas del tanque principal y
cambiador de derivaciones.
Cambios de temperaturas debidos a cambios en la
carga y temperatura ambiente.
Termovisión.
Puntos calientes, corrientes circulantes, bloqueos
del enfriamiento, problemas con el cambiador de
derivaciones, conexiones flojas.
Análisis acústico (ultrasónico)
Descargas parciales internas, arqueo, blindajes no
aterrizados, malas conexiones en boquillas, falla en
contactos del cambiador, problemas de puesta a
tierra del núcleo, aislamiento débil que produce
efecto corona.
Detección sónica de fallas
Fugas de nitrógeno, fugas de vacío, vibración
excesiva de núcleo bobinas, efecto corona en las
boquillas, problemas mecánicos en rodamientos de
motores y bombas.
Análisis de vibraciones
Problemas internos de núcleo, bobinas, blindajes,
partes flojas y rodamientos defectuosos.
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Técnicas con el transformador desenergizado
Pruebas de DOBLE (capacitancia de las
boquillas, factor de potencia del
aislamiento, corriente de excitación).
Pérdida de la integridad dieléctrica del
aislamiento, pérdida
la integridad
dieléctrica de las boquillas, humedad en los
devanados.
Relación de transformación
Devanados en corto circuito, corto circuito
entre vueltas.
Medición de impedancia de corto circuito
(reactancia de dispersión).
Deformación mayor en los devanados.
Medición de resistencia de núcleo a tierra.
Mala conexión de tierras intencionales del
núcleo ó existencia de conexiones a tierra
no intencionales.
Medición de resistencias de los devanados
con corriente directa.
Falsos contactos, cintas rotas, conexiones
flojas, falso contacto en cambiadores de
derivaciones.
Análisis de respuesta en frecuencia (FRA)
Movimientos y deformaciones locales en
los devanados.
Inspección visual interna.
Lodos en el aceite, desplazamiento de
devanados y cuñas, falta de apriete en
devanados,
malas
conexiones,
calentamientos excesivos, objetos extraños
en el equipo.
Grado de polimerización.
Condición y tiempo de vida estimada del
aislamiento
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TÉCNICAS DE DETECCIÓN DE DEFORMACIONES EN DEVANADOS
• Medición de Capacitancia de los devanados.
• Medición de Corrientes de Magnetización (Corrientes de
excitación).
• Medición de Impedancia de Corto-circuito
(Reactancia de dispersión).
• Aplicación de Impulsos de bajo Voltaje.
• Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRA).
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DEFORMACIONES MECÁNICAS EN DEVANADOS (TRANSFORMADORES
TIPO COLUMNA)
Corto Circuito
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a)
Desplazamiento entre
vueltas por fuerza
axial
b)
Deformación de
bloques espaciadores
por efecto de fuerzas
de compresión en
devanados tipo
acorazado.
c)
Pandeo en
conductores por efecto
de fuerzas axiales.
d)
Torcimiento de
conductores
superiores.
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e) Falla por pandeo radial
f) Deformación radial en
discos
g) fenómeno de inclinación
en conductores por exceso
de fuerza axial.
h)
Pandeo
entre
espaciadores radiales por
efecto de fuerzas axiales
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DEFORMACIONES MECÁNICAS EN
DEVANADOS
TRANSPORTE Y PUESTA EN SERVICIO
INDUSTRIAS IEM S.A DE C.V.
ANÁLISIS DE RESPUESTA EN
FRECUENCIA (FRA)
z , y , etc.
Descripción en Frecuencia del Equipo
Frecuencia
•Propiedades de Materiales (ε, µ, etc.)
ML
•Geometría Interna.
ML
ML
ML
ML
Modelo matematico
ML
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z , y , etc.
z , y , etc.
Frecuencia
Huella Digital
Frecuencia
Después de Falla
Diagnostico del Equipo antes
de ponerlo en operación
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1931, Peters and Rylander. Westinghouse Electric,
Frequency testing Apparatus” .
Patente 1 792 320 “ High
1966, Lech y Tyminski en Polonia, son los primeros en proponer el método de
impulso de bajo voltaje (por sus siglas en inglés LVI) para la detección de
deformaciones en devanados de transformadores durante las pruebas de corto
circuito
1972, Rogers, Humbard y Gilies Describen la instrumentación y técnicas de
medición recomendadas para la aplicación de la técnica de impulso de bajo voltaje
para la detección de deformaciones y fallas en transformadores incrementando la
repetibilidad durante las pruebas.
1978, Dick y Erven de Ontario Hydro, proponen el método de respuesta en
frecuencia como una técnica de diagnóstico para transformadores
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1988, Malewski y Poulin utilizan la función de transferencia para la detección de fallas
durante pruebas de impulso en Transformadores
1992, Vaessen y Hanique presentan lo que ellos denominan una técnica nueva para
análisis de respuesta en frecuencia (FRA) en transformadores
1995, Lapworth y Noonan en [10] presentan una descripción muy detallada de FRA
utilizando el barrido en frecuencia (en inglés sweep frequency) desde 5 Hz hasta 10
MHz.
1998-1999, Vandermaar, Wang y otros presentan una serie de artículos [11,12,13]
donde se demuestra la efectividad del método de impulso de bajo voltaje para detectar
deformaciones en devanados.
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1999, Leibfried y Feser [14] presentan un trabajo de monitoreo en línea de transformadores
utilizando la función de transferencia en donde los transitorios originados por la propia
operación del sistemas son utilizados como fuentes de excitación para el calculo de la función
de transferencia en línea
2000, Zhijian, Jingtao y Zihu en [15] utilizan una red neuronal tipo BP (en inglés back
propagation) para la identificación automática de deformaciones en la función de transferencia.
2000, DOBLE Engineering Company lanza al mercado un equipo especializado para el análisis
de respuesta en frecuencia en transformadores
2000 B&C Company [17] compañía Húngara desarrolla el equipo “Traftek” para diagnóstico
en frecuencia de transformadores
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2000, Bolduc, Picher y otros [18] proponen una metodología nueva la cual es similar a la
medición tradicional de impedancias de dispersión para detectar deformaciones en devanados
durante las pruebas de corto circuito. Esta se denomina respuesta en frecuencia de las pérdidas
parásitas (por sus siglas en inglés FRSL)
2002, El Grupo de Trabajo 12.19 de CIGRE en [19] presenta el estado del arte hasta el
2002 relacionado con el comportamiento en corto circuito de transformadores de potencia.
2002, Coffeen y Hildreth en [20] desarrollan una nueva técnica denominada “asimetría del
devanado objetiva” (por sus siglas en inglés OWA), la cual es una extensión del método de impulso
de bajo voltaje, utilizando bloques de estimaciones de densidad espectral para formular la función
de transferencia.
2003, Ryder en [21] propone una metodología para llevar a cabo el diagnóstico en base a un código
de falla. Este código se basa en cuatro factores: a) Cálculo del coeficiente de correlación, b)
cambios relativos en la primera resonancia, c) cambios en el valor mínimo de la respuesta a baja
frecuencia y d) cambio relativo del número de resonancias a altas frecuencias.
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2003, Ryder en [21] propone una metodología para llevar a cabo el diagnóstico en base a un código
de falla. Este código se basa en cuatro factores: a) Cálculo del coeficiente de correlación, b)
cambios relativos en la primera resonancia, c) cambios en el valor mínimo de la respuesta a baja
frecuencia y d) cambio relativo del número de resonancias a altas frecuencias.
2004 Kim, Park Jeong y otros [22] Proponen una metodología para evaluación de la función de
transferencia por medio de un análisis espectral, en la cual se incrementan las componentes de baja y
media frecuencia y se ecualizan con las demás componentes, utilizando algoritmos de interpolación
2005 Satish y Sahoo [23] Realizan un modelo matemático de un transformador de dos devanados,
y por medio de simulaciones intentan determinar la influencia de las respuestas individuales de los
devanados en la función de transferencia del transformador.
2006 Pitcher, Lapworth, Noonan, CIGRE WGA2.26 publican en la revista ELECTRA 228 ,
Octubre 2006, un reporte con los avances del grupo de trabajo incluyendo los resultados de
las pruebas con 10 diferentes equipos en un transformador en Alemania.
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MEDICIÓN USANDO BARRIDO EN FRECUENCIA
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MEDICIONES TÍPICAS (RECOMENDADAS POR DOBLE)
Ejemplo: Transformador Delta-Estrella
1.
Mediciones en circuito
abierto en cada devanado.
2.
Medición en AT con corto
circuito en BT.
3.
“ Medición inter-devanados
(no muy usada)”
Importante Tomar nota de la posición
del Cambiador de derivaciones
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Equipo M5100 Marca Doble , FRA
Barrido Hasta 10 MHz
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Posición del
Cambiador de
derivaciones
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Posibles formas de medir la respuesta en frecuencia en un transformador con 2 devanados. (a) Medición con el
secundario en vacío, (b) medición con el secundario en corto circuito, (c) medición con el secundario en corto circuito
y aterrizado
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Comparación de respuestas en frecuencia para dos diferentes casos de
deformación en el devanado.
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Comparación entre respuestas en frecuencia de un devanado experimental antes (Normal) y después de
provocar un corto circuito entre las secciones 14 y 16 (SC 14-16). El devanado es de un transformador tipo
columna de 20 MVA., 115 kV
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Comparación de funciones de transferencia con y sin aceite en un
Transformador de Potencia de 500 MVA, 525kV
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Medición de respuesta en frecuencia en un transformador en 3 diferentes
posiciones del cambiador de derivaciones (máxima, nominal y mínima)
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Caso detección de Ruptura de soportes
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Comparación entre las fases
de un transformador trifásico
de 28 MVA, mostrando el
efecto de una deformación en
una de las fases (hoop
buckling). El efecto de la
deformación (mostrado en la
fotografía) se manifiesta como
un desplazamiento de la
frecuencia de resonancia hacia
la izquierda. Este caso fue
tomado de la referencia [25].
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Comparación de las respuestas en frecuencia entre las tres fases de un
mismo transformador trifásico de potencia.
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ESTADO DEL ARTE DEL ANÁLISIS DE RESPUESTA EN
FRECUENCIA
Actualmente el método de análisis de respuesta en frecuencia está
siendo estudiado por los comités internacionales de CIGRE
(Consejo Internacional de Grandes Redes Eléctricas) e IEEE
(Instituto de Ingenieros Eléctricos Electrónicos) por medio de sus
grupos de trabajo y los objetivos perseguidos se encaminan
principalmente a generar una guía de diagnóstico y la
caracterización de los equipos requeridos para la prueba.
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Los puntos principales que se pretende incluyan estas guías en general son:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Historia del método y lista de referencias.
Objetivos de la técnica
Equipos recomendados para la realización de la prueba
Criterios y ejemplos de diagnósticos
Descripción del uso de circuitos equivalentes como
herramienta para el diagnóstico
Influencia de parámetros externos en los resultados de la
mediciones.
Cantidad y tipo de mediciones requeridas dependiendo las
características del transformador
Frecuencia recomendada de realización de la prueba.
Una sección con casos típicos de diagnóstico.
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Grupo de Trabajo IEEE. Ultima reunión , Marzo 2007, Dallas, EUA
(Performance Characteristics Subcommittee)
PC57.149 – Guide for the Application and Interpretation of Frequency Response
Analysis for Oil Immersed Transformers
35 personas, 17 miembros y 18 invitados
Chairman;
Charles Sweetser (Doble)
Section 1: Scope and Application. Definición de Términología en FRA
Section 2 . Recommended FRA measurement test parameters.
Recomendaciones generales de realización de la prueba
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Section 3: Making a FRA Measurement.
Comentarios en aspectos particulares de la prueba como:
Posición del cambiador bajo carga (LTC) y sin carga durante la prueba
4 Tipos de Mediciones son recomendados
Open Circuit Self-Admittance,
Short Circuit Self-Admittance,
Inter-Winding
Transfer Voltage
Cuidado con las polaridades del transformador al realizar las pruebas
Secction 4 . Test records.
Definición de requerimientos y formato de los datos medidos (equipo
usado en la prueba, formato de datos, etc)
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Section 5: Analysis and Interpretation
La parte más compleja del método. Actualmente se están evaluando algunos criterios
de diagnóstico, modos de falla y se plantea la necesidad de realizar modelos en
computadora para simular las respuestas en frecuencia.
Esta sección incluirá una serie de casos ejemplo de diagnóstico
Appendix 1: FRA Theory . Teoría general del análisis de respuesta en frecuencia
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Grupo de Trabajo CIGRE . FRA Working Group A2.26
Valoración mecánica de devanados de transformadores por análisis de
respuesta en frecuencia (FRA). Representantes de 18 países
Ultima reunión , Abril, 2007 Madrid, España
P. Picher (Canada) – Convenor
El objetivo principal es generar una guía de valoración de la condición mecánica
de devanados usando análisis de respuesta en frecuencia
El grupo se encuentra dividido en tres grupos de trabajo:
1- Introduction to FRA
2-Techniques
3-Interpretation.
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El grupo inicio en Enero del 2004 y deberá entregar un reporte final en Diciembre del 2007.
TF1 – Introduction to FRA .
Introducción general al análisis en frecuencia
TF2 – FRA techniques
Objetivo. Definir los lineamientos óptimos para la prueba
Un programa de pruebas fue realizado en la fábrica de
Siemens en Nuremberg, Alemania, para comparar las
diversas técnicas de medición utilizadas en varios países
Las pruebas se realizaron en transformador 266 MVA
monófasico.
El objetivo es conocer y comparar la eficiencia de los
diferentes métodos y equipos utilizados para FRA ( 9
métodos fueron comparados)
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Mediciones en un mismo transformador con 7 diferentes equipos
durante la reunión del Grupo de trabajo A2.26 de CIGRE.
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TF3 – Interpretation
Diferentes casos de aplicación exitosa de FRA se han reunido y una parte del grupo de
Trabajo se encuentra modelando el transformador probado en Nuremberg para generar
Una herramienta de diagnóstico
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Simulación por Computadora de un desplazamiento Axial en las bobinas
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En México CFE (Comisión Federal de Electricidad) ya incluye en la
Norma CFE K0000-13 “Transformadores de Potencia para Subestaciones
de Distribución” (revisión de enero del 2004) la prueba de respuesta en
frecuencia como una prueba de aceptación para iniciar un historial del
comportamiento operativo del transformador a lo largo de su vida útil.
K0000-06. Transformadores de Potencia de 10 MVA y mayores Rev. de
mayo del 2004.
Prueba de Rutina: Medición de impedancia respecto a la frecuencia