Megger diagnostico de transformadores

Buenos Aires, 27 de septiembre de 2011
1
Training Transformers v1 – 27/sep/2011
TÉCNICAS MODERNAS DE DIAGNÓSTICO
EN TRANSFORMADORES DE POTENCIA

www.artec-ingenieria.com
➽ Introducción
➽ Capacitancia y factor de disipación (DELTA 4000)
➽ Análisis de Respuesta en Frecuencia (FRAX 101)
➽ Espectroscopia Dieléctrica (IDAX 300)
Temario de la reunión:
2
Técnicas modernas de diagnóstico en Transformadores de Potencia

➽ Es el equipo más importante y costoso de la ET.
➽ La vida del transformador esta definida por la vida de su aislamiento.
➽ Las tareas de mantenimiento se orientan a determinar la vida del aislamiento.
Importancia del Transformador de Potencia en los SisPot
3
Fuente: Siemens

➽ Es el conjunto de las actuaciones técnicas y administrativas que aseguran la
optimización de la efectividad de los equipos y productos industriales.
➽ Tiene por objeto minimizar los fallos y agilizar las reparaciones buscando su
óptimo funcionamiento.
➽ Tipos de mantenimiento: Correctivo; Preventivo; Predictivo y Proactivo.
➽ Las tareas de mantenimiento se basan en controles y mediciones
sistemáticas, que deben ser planificadas de acuerdo a la importancia y
probabilidad de fallo.
➽ Las evolución del comportamiento de cada parámetro se debe analizar
progresivamente; adoptando valores de referencia y desviaciones recomendadas
y/o normalizadas.
Mantenimiento
4

Mantenimiento: Modelo Básico de Falla
5
Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003

Mantenimiento: estrategias de acción
6
Fuente: CIGRE A2.18 20 January 2003

Principales componentes
➽ Conductores Eléctricos / Devanados
➽ Núcleo Magnético
➽ Aislamiento
Primario
Secundario
➽ Conmutador / Regulador
➽ Bushings o pasamuros
➽ Sistema de enfriamiento
➽ Sistema de protección
Fuente: Siemens
7

Conductores Eléctricos / Devanados
Función: conducir la corriente
Material: cobre o aluminio
8

Núcleo Magnético
Función: Establecer el canal para el flujo magnético
Material: Hierro silicio
9

Material Aislante Primario
Función: Aislar los potenciales y proveer soporte mecánico
Material: Papel Kraft, papel crepe, etc.
10

Material Aislante Secundario
Función: Aislar potenciales, reducir calentamiento, mantener alejada la humedad.
Material: Aceite mineral, silicona, aire, nitrógeno, SF6
11

Índices de fallas
HSB: Harford Steam Boiler Insurance Company IMIA Working Group: “Analysis of Transformer Failures” -
International Association of Engineering Insurers 36th Annual
Conference – Stockholm, 2003
12

Análisis del Aislamiento
➽ Tomando como referencia el AISLAMIENTO, podemos clasificar los ensayos y
controles en dos tipos: directos e indirectos
➽ Ensayos “Directos”:
Capacitancia y tgδ (factor de disipación, factor de potencia)
Resistencia de aislamiento
Rigidez dieléctrica del aceite
Capacidad y tgδ del aceite
Espectroscopia en el dominio de la frecuencia
Medición de las descargas parciales
➽ Ensayos “Indirectos”:
Resistencia de arrollamientos
Relación de transformación; polaridad y fase.
Análisis de respuesta en frecuencia
Corriente de excitación
13
Capacitancia y tgδ (factor de disipación, factor de potencia)
Análisis de respuesta en frecuencia

Capacitancia y tgδ de Arrollamientos y Bushings
14
TÉCNICAS MODERNAS DE DIAGNÓSTICO EN
TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (I)
➽ Objetivo
El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tgδ (factor de
disipación) de las diferentes combinaciones del sistema de aislamiento del
transformador.
➽ Defectos detectables
Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios físicos en su
estructura al cabo de solicitaciones electromecánicas
El factor de disipación también es sensible a cambios en la estructura del
aislamiento ocasionados por contaminación, humedad o envejecimiento.
En cualquiera de los casos, el factor de disipación da una idea de las pérdidas
dieléctricas del aislamiento.
15

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (II)
➽ Fundamentos
El valor de la capacitancia de un capacitor depende de las características del material
dieléctrico y de su geometría. Si las características del material dieléctrico o la
configuración del capacitor cambia, indefectiblemente 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.
16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
FactordePotencia/FactordeDisipación
Ángulo fi [º]
Factor de Potencia
Factor de Disipación
Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (III)
➽ Metodología de medición
17

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (IV)
18

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (V)
Para un diagnóstico integral del aislamiento es recomendable medir las capacitancias
y tgδ asociadas para cada una de los aislamientos intervinientes:
Arrollamientos Primarios y Secundarios
Arrollamientos Primarios y Terciarios
Arrollamientos Secundario y Terciarios
Arrollamientos y cuba
ARROLLAMIENTOS
PRIMARIOS
ARROLLAMIENTOS
SECUNDARIOS
ARROLLAMIENTOS
TERCIARIOS
CUBA
(a tierra)Csg
CstCps
Cpt
Cpg Ctg
19

Capacidad y tgδ de los Arrollamientos (VI)
20

Capacidad y tgδ de los Arrollamientos (VII)
21

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (VIII)
Algunos criterios generales:
Se aplican 10 kVca y se miden los valores de la capacitancia y tgδ.
Por qué razón aplicar 10 kVca en un Transformador cuya tensión nominal primaria
es, por ejemplo 132 kV?
22
En sistemas de aislamiento papel/aceite en “BUENAS” condiciones la tgδ NO
VARÍA con la tensión.
¿Como detectar la dependencia de la tgδ con la tensión?
Se realizan mediciones para diferentes niveles de tensión, y se determina el
factor de dependencia de la tgδ con la tensión: TIP-UP

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (IX)
➽ Resultados
23

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (X)
➽ Dependencia de la temperatura
Las características del factor de disipación un dieléctrico son dependientes de la
temperatura.
Es fundamental registrar los valores de temperatura (¿Cuál temperatura?), para
poder referirlos a una temperatura de referencia (normalmente 20ºC) y poder de
comparar las desviaciones.
¿Como corregir los valores de factor de disipación con la temperatura?
24

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XI)
➽ Corrección de temperatura: Criterio IEEE Std C57.12.90-2006
25
tgδ (20 ºC) = tgδ (xºC) / K
¿Cuál es la temperatura del sistema aislante al momento de las pruebas?

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XII)
➽ Dependencia de la temperatura
26

Capacitancia de los Arrollamientos (XIII)
➽ Interpretación de los resultados
a) Incrementos en el factor de potencia pueden deberse a:
Contaminación en el sistema de aislamiento
Deterioro Químico
Daños por sobrecalentamiento
Presencia de humedad
b) Si el sistema de aislamiento es dependiente de la tensión aplicada, la prueba
tip-up puede identificar ionización, carbonización en el aceite, contaminación
en el papel o aceite.
c) Variaciones en capacitancia indican:
Deformaciones mecánicas en las estructuras de núcleo/bobinas
Humedad
27

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XIV)
Factor de disipación [%] Estado
0.5 Bueno
0.5 - 0.7 Deterioro normal
0.7 - 1 Requiere investigación
> 1 Deterioro excesivo
28
Para analizar las tendencias de los valores de la capacitancia, se
compraran las sucesivas mediciones respecto a los valores de referencia,
cuyas desviaciones no debieran ser superiores al 10%.

Capacitancia y tgδ de los Arrollamientos (XIV)
Factor de potencia
[%]
Estado
0.5 Bueno
0.5 - 0.7 Deterioro normal
0.7 - 1 Requiere investigación
> 1 Deterioro excesivo
29

Capacitancia y tgδ de Bushings
30

Capacitancia y tgδ de los bushings (I)
➽ Objetivo
El objeto de este ensayo es el de medir los valores de capacitancia y de tgδ (factor de
disipación) del bushing (C1 y C2).
Puede determinarse si el aislamiento ha experimentado cambios físicos al cabo de
solicitaciones electromecánicas.
Puede determinarse envejecimiento del sistema de aislamiento del bushing.
Es posible detectar contaminación y grietas en la estructura de la porcelana.
31

Capacitancia y tgδ de los bushings (II)
➽ Fundamentos
Estructura interna de los bushings:
32
Fuente: IEEE P62-1995

Capacitancia y tgδ de los bushings (III)
C1
C2
TAP
M C1
C2
TAP
M
C1
C2
TAP
M
33

Capacitancia y tgδ de los bushings (IV)
En los casos en que el bushing no cuente con TAP pude emplearse el método del
“collar caliente”.
Este método consiste en colocar una banda polimérica sobre la superficie del bushing;
de forma de conformar un electrodo para la aplicación de tensión.
34

Capacitancia y tgδ de los bushings (V)
¿Corrección por temperatura?
35

Capacitancia y tgδ de los bushings (VI)
Para bushings de alta tensión, los valores de tgδ debieran mantenerse por debajo
al 1% en cualquier condición.
Discrepancias superiores al 10% de los valores de capacidad, pueden ser
indicativos de cambios importantes en la estructura del aislamiento del bushing.
36

Capacitancia y tgδ: Resumen
➽ Se miden diferentes combinaciones del aislamiento (arrollamientos
y bushings); el uso de guardas es fundamental.
➽ La prueba TIP-UP es muy útil para determinar contaminación del
sistema aislante.
➽ Para un correcto análisis del factor de disipación deben realizarse
correcciones por temperatura.
37
si no
✔
✔
✔
DELTA 4000/4300
¿Ejecución
Automática?

Delta 4000/4300
➽ Tensión de salida: 12 kV.
➽ Corriente máx (4 min) 300 mA (3,6 kVA) y cont. 100 mA (1,2 kVA).
➽ Alta inmunidad al ruido externo; genera su propia señal de prueba.
➽ Frecuencia de la señal de ensayo: 45-70 Hz (12 kV); 15-400 Hz (4 kV); 1-500
Hz (250 V).
➽ Modo de operación “Manual” y “Automático”.
➽ Ensayo de TIP-UP incorporado.
➽ Corrección automática de la temperatura.
38

Capacitancia y tgδ
39

Capacitancia y tgδ del aceite
40

Capacitancia y tgδ del aceite (I)
➽ Objetivo
El objetivo de este ensayo es determinar la tgδ del aceite.
El factor de disipación es una medida de la potencia de pérdida cuando un líquido
aislante eléctrico es sometido a un campo eléctrico de corriente alterna.
Presencia de humedad
Presencia de elementos contaminantes
41

Capacitancia y tgδ del aceite (II)
Valores sugeridos para aceites en servicio por IEEE C57.106.2006 (ASTM 924).
42

Capacitancia y tgδ del aceite (III)
43

Análisis de Respuesta en Frecuencia
44

Análisis de Respuesta en Frecuencia (I)
➽ Objetivo
El objetivo de este ensayo es determinar la curva de respuesta en frecuencia de la
función de transferencia del conjunto eléctrico - dieléctrico - magnético - mecánico
del transformador.
Movimientos en el núcleo magnético.
Daños en los arrollamientos (pérdida de aislamiento, deformaciones, etc.).
Disminución del ajuste mecánico y/o movimientos en los arrollamientos.
Cambios físicos en la estructura mecánica del conmutador bajo carga.
45

Análisis de Respuesta en Frecuencia (II)
➽ Fundamentos
46

Análisis de Respuesta en Frecuencia (III)
➽ Fundamentos: Respuesta de Amplitud
47

Análisis de Respuesta en Frecuencia (IV)
➽ Fundamentos: Respuesta de Fase
48

Análisis de Respuesta en Frecuencia (V)
➽ Metodología del ensayo
Una serie de señales de baja tensión (10 V pico-pico) se aplican al transformador
en varias frecuencias (20 Hz – 2 MHz).
Se mide amplitud y fase en las señales de entrada y salida.
La relación entre las dos señales provee la respuesta de frecuencia o función de
transferencia del transformador.
De la función de transferencia se pueden derivar una serie de términos como una
función de frecuencia:
a) Magnitud
b) Fase
c) Impedancia / admitancia
d) Correlación
49

Análisis de Respuesta en Frecuencia (VI)
El circuito RLC posee una impedancia diferente a diferentes frecuencias.
La función de transferencia para todas las frecuencias es la medida de la
impedancia efectiva del circuito RLC.
Cualquier deformación en la geometría del sistema, cambia el circuito RLC, el cual
a su vez cambia su impedancia y por ende, su función de transferencia a diferentes
frecuencias.
Estos cambios dan una advertencia sobre posibles daños en el transformador.
50

Análisis de Respuesta en Frecuencia (VII)
Rangos de frecuencia para medición SFRA adoptados por CIGRE 342.
51

Análisis de Respuesta en Frecuencia (VIII)
Otros estándares.
52

Análisis de Respuesta en Frecuencia (IX)
¿Cuándo y cómo?... Tiempo, tipo constructivo, y diseño!
53

Análisis de Respuesta en Frecuencia (X)
1) Basadas en Tiempo (Las pruebas se levan a cabo en el mismo transformador en
diferentes periodos de tiempo)
Esta es la prueba mas eficaz.
Desviaciones entre curvas son fácil de detectar.
2) Basadas en el Tipo Constructivo (Las pruebas se llevan a cabo en transformadores de
un diseño similar)
Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible
modificaciones.
Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad.
3) Basado en Diseño (Las pruebas se realizan en los terminales de los devanados y
boquillas de idéntico diseño)
Se requiere un conocimiento especifico sobre el objeto de prueba y sus posible
modificaciones.
Desviaciones menores no son necesariamente un signo de problemas en la unidad.
54

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XI)
Configuración del ensayo
55

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XII)
Configuración del ensayo: circuito de medición
56

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XIII)
Configuración del ensayo: La conexión de puesta a tierra asegura la repetitividad de la
prueba en altas frecuencias
57

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XIV)
Analisis de FRA - Arrollamientos de AT kV - Tap en "- 6"
-50,00
-40,00
-30,00
-20,00
-10,00
0,00
10,00
20,00
1 10 100 1000
Frecuencia [KHz]
Transferencia[dB]
Fase U
Fase V
Fase W
Fase U 2
Fase V 2
Fase W 2
58

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XV)
Transformador en buen estado
59

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVI)
Transformador con serios problemas
60

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVII)
➽ FRAX 101: Interpretación de los resultados, “Analyzers”
61

Análisis de Respuesta en Frecuencia (XVIII)
62

63

FDS: Fundamentos (I)
➽ ¿Que es la Espectroscopia Dieléctrica?
Es el estudio a partir del cual se obtiene la respuesta de los materiales cuando se les
aplica un campo eléctrico variable en el tiempo.
En la Espectroscopia Dieléctrica se analiza la respuesta de una magnitud
macroscópica a partir de la cual se obtiene información de la estructura
microscópica de los materiales.
FDS: Frequency Domain Spectroscopy
64

FDS: Fundamentos (II)
➽ Aplicación de un campo eléctrico: Conducción y Polarización
65
+
-
+
-
+
-
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
Conducción
Desplazamiento de
cargas libres
Polarización
Desplazamiento de
dipolos

FDS: Fundamentos (III)
➽ Principales mecanismos que producen la Polarización
a) Polarización electrónica: el átomo se distorsiona y los electrones se concentran a
un lado del núcleo, cerca del extremos positivo del campo.
66
+
-
-
- -
-
-
--
+
--
-
-
-
-
--
E

FDS: Fundamentos (IV)
b) Polarización iónica: las uniones entre iones se deforman elásticamente;
redistribuyéndose la carga dentro del material.
67
+-
+ -
-
+
E
+
-

FDS: Fundamentos (V)
c) Polarización molecular: Al aplicar el campo eléctrico en materiales que contienen
dipolos naturales, dichos dipolos giran hasta alinearse con el campo aplicado.
68
E
+
-
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+
+
-
+

FDS: Fundamentos (VI)
d) Polarización interfacial: Como consecuencia de la presencia de impurezas se
produce una carga eléctrica en las interfaces de dos materiales.
69
E
+
-
+
-
+
-
+
- +
-
Material A
Material B

FDS: Fundamentos (VII)
70

FDS: Fundamentos (VIII)
71
➽ Envejecimiento produce cambios en la permitividad

FDS: Fundamentos (IX)
72
➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?
a) Respuesta dieléctrica en el dominio del tiempo
Conducción debido a la conductividad del material
Conducción instantánea debido a la componente capacitiva
Conducción debido a la polarización material
1 2 3
j(t)
t

FDS: Fundamentos (X)
73
1 2
Componente capacitiva
Componente resistiva
➽ ¿Cómo evaluar la polarización de un dieléctrico?
b) Respuesta dieléctrica en el dominio de la frecuencia
En términos de la permitividad compleja:

FDS: Fundamentos (XI)
74
➽ Evaluación de la polarización: Resumen
A un instante de tiempo determinado o como una función de tiempo
a) Resistencia de aislamiento
b) Índice de polarización
c) Magnitud de la tensión de retorno (RVM)
A una frecuencia fija o como una función de frecuencia
a) Factor de disipación (tan a una frecuencia fija, usualmente a 50/60 Hz o 0.1 Hz
b) Factor de disipación (tan como una función de frecuencia desde 0.001 Hz hasta
1000 Hz

FDS: Fundamentos (XII)
➽ Fundamentos
Respuesta de Frecuencia del Dieléctrico
1 mHz 50 Hz 1kHz
Factor de
disipación
75

FDS: Fundamentos (XIII)
76
➽ Características de FDS
La respuesta debe ser finita, considerando que la polarización de un material es
finita.
Cada material tiene SU PROPIA y única respuesta
La respuesta no varía (significativamente) al variar la temperatura, a no ser que
hubieran cambios estructurales importantes.
Debye
Curie-von Schweidler
Respuesta general
Frecuencia
Respuesta

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (I)
➽ Objetivo
Medir las pérdidas y la capacitancia del sistema de aislamiento a diferentes
frecuencias (y con baja tensión).
Humedad en el sistema de aislamiento.
Contaminación en el sistema de aislamiento.
Determinar posible envejecimiento.
77

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (II)
➽ Prestaciones del sistema
Medición de Factor de Disipación a múltiples frecuencias y a cualquier temperatura.
Compara los valores medidos vs. los valores del modelo, con referencia en una
base de datos de materiales.
Se obtienen los resultados en forma de humedad en el aislamiento sólido de papel
como porcentaje del peso total del papel.
Corrección de temperatura precisa.
Habilidad para detectar contaminación
78

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (III)
➽ Características del sistema
Señal de Prueba: 0 a 200 V (pico-pico) y 0 a 50 mA
Frecuencia: 10 000 Hz a 0.0001 Hz
Rango de medición de la capacitancia: 10 pF a 100 μF
Uno o dos canales de medición independiente
Liviano y Robusto
Posibilidad de aumentar la tensión de salida (Vax 020: 2 kV)
79

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (IV)
80

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (V)
81

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VI)
➽ Que y cómo medir
82

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VI)
Pasos de medición del IDAX:
1. Se realizan las conexiones
2. Se mide el factor de disipación/factor de potencia desde 1 kHz hasta 1 mHz
3. Se envían los resultados de la medición a un analizador.
4. Se ingresa el valor de la temperatura del aislamiento (temperatura del aceite).
5. El IDAX ajusta la curva medida a la curva modelo (automáticamente) variando los
parámetros que afectan la forma de la curva para encontrar el mejor ajuste.
83

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VII)
¿Por qué medir FDS?
1) FDS usa baja tensión (140 Vrms), lo cual implica:
Mayor seguridad
Menor tamaño del equipo
2) FDS mide capacitancia y tan en un rango de frecuencia que permite:
Mejor interpretación
Posibilidad de eliminar errores de medición.
3) La interpretación de resultados se basa en un modelo real de diseño de
transformador.
84

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (VIII)
¿Por qué medir FDS?
4) Las mediciones FDS son reproducibles:
Las mediciones pueden reiniciarse
Mediciones previas en AC no afectan los resultados (pruebas de alta tensión en CC
pueden disminuir el valor de factor de disipación)
5) Las mediciones FDS son fáciles de entender y de modelar:
El modelo FDS son cálculos “jω” (Impedancia compleja)
El modelo en dominio de tiempo involucra integración
85

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (IX)
➽ Resultados
Variación de la Capacitancia con la Frecuencia
86

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (X)
➽ Resultados
Variación del Factor de Potencia con la Frecuencia
87

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XI)
88

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XII)
89

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XIII)
90

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XIV)
91

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XV)
➽ Resultados
Factores que afectan la respuesta
92

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVI)
➽ Ejemplo
93

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVII)
➽ Interpretación de resultados
< 0.5 % Transformador nuevo
0.5 - 1.5% Aislamiento seco
1.5 - 2.5% Nivel medio de humedad
2.5 - 4% Aislamiento húmedo
> 4% Aislamiento muy húmedo
La interpretación del contenido de humedad en el aislamiento solido dado en % de peso de agua
por peso de celulosa
94

Espectroscopia en el Dominio de la Frecuencia (XVIII)
95

FINAL
Artec Ingeniería S.A.
Representante de Megger en Argentina.
www.megger.com
96

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