Según la literatura técnica basada en la estadística de fallos más
comunes en transformadores de potencia, se pretende en este artículo
identificar los sistemas y componentes más críticos que en casos de fallo
representarían un riesgo de avería en el transformador e incluso un riesgo
elevado para el medio ambiente y las personas.
Estadística de averías en
Transformadores
en baño de aceite (fuente: CIGRE)
Estadística de averías en transformadores secos encapsulados
La Norma IEEE std. 62-1995 permite diagnosticar el estado operativo de los
transformadores de potencia clasificándolos en pruebas eléctricas, pruebas de
aceites dieléctricos y pruebas de funcionamiento de sus protecciones eléctricas
y mecánicas. Estas pruebas de diagnóstico están descritas con referencia a las
categorías de sistemas y componentes que constituyen el transformador tales
como: Devanados o bobinas, Aisladores pasatapas o bushing, aceite aislante,
conmutador en carga o cambiador de tomas, núcleo, tanque o cuba, y dispositivos
asociados.
En cada uno de estos sistemas y subsistemas la norma (IEEE, 2005) recomienda
una serie de pruebas y mediciones (las iremos analizando simplificadamente en
diferentes apartados) con objeto de registrar y evaluar su comportamiento.
Según los autores los elementos con más fallos son: el cambiador de tomas, los
devanados, tanque/aceite y los bushings que en su conjunto representan un
promedio del 88 %, por lo que haremos énfasis en estos elementos, realizaremos
la identificación de los componentes críticos y evaluaremos en cada uno de
ellos los modos de fallo.
Dentro de estos sistemas y componentes críticos, se encuentran:
- Parte activa: Devanados y núcleo
- Bushing o aisladores pasatapas: Bushings
primarios, secundarios y terciarios
- Tanque/aceite: Caja principal o cuba.
Aceite dieléctrico, Tuberías y válvulas, Tanque de expansión, Radiadores.
Control del nivel de aceite de la cuba principal.
- Cambiador de tomas o conmutador en
carga: Aceite dieléctrico, Cuba, Selector, Pre-selector, Mando motor, Control de flujo
del conmutador.
1.- AISLADORES O BUSHING
Los aisladores o Bushing
capacitivos son los elementos del transformador donde existe una gran
concentración de esfuerzo dieléctrico en muy reducido volumen. Por este motivo
y dado que su vida útil es menor que la del propio transformador, es necesario
realizar con mayor periodicidad las pruebas y análisis de diagnóstico que en
otros componentes del transformador.
Avería en aislador de
papel impregnado
Se exponen a continuación simplificadamente los
fallos característicos en los aisladores capacitívos, sus causas, efectos y
modo de control eléctrico.
● FALLO 1º.-
Daños en porcelanas.-
CAUSAS:
- Variaciones bruscas de temperatura.
- Condiciones ambientales extremas.
- Productos conductores derivados del aceite, depósitos en la pared interna del aislador.
EFECTOS:
- Formación de depósitos de suciedad.
- Penetración de agua.
- Reducción de la rigidez dieléctrica.
CONTROL ELÉCTRICO:
- Alteración de la Tangente delta.
● FALLO 2º.-
Deterioro del aislamiento del cuerpo capacitivo.-
CAUSAS:
- Temperaturas elevadas de operación.
- Pérdida de aceite y desimpregnación, secado del papel y ruptura del mismo.
EFECTOS:
- Descarga parcial localizada promoviendo el deterioro adicional del papel y aceite (avalancha térmica)
CONTROL ELÉCTRICO:
- Descarga parcial
- Alteración de la corriente y tangente delta
● FALLO 3º.-
Deterioro del aceite.-
CAUSAS:
- Mecanismos similares a los ocurridos en el transformador.
EFECTOS:
- Descarga parcial localizada promoviendo el deterioro adicional del papel y aceite (avalancha térmica)
CONTROL ELÉCTRICO:
- Descarga parcial
- Alteración de la corriente y tangente delta
● FALLO 4º.-
Cortocircuito entre camadas conductoras
CAUSAS:
- Defecto de proyecto y/o fabricación
- Envejecimiento del papel y/o aceite
- Migración de tinta conductora
EFECTOS:
- Elevación de la capacitancia y de la corriente capacitiva.
CONTROL ELÉCTRICO:
- Elevación de la capacitancia C1 y C2
● FALLO 5º.-
Vacuolas de aire en el material aislante
CAUSAS:
- Burbujas de aire en el material aislante
EFECTOS:
- Daños localizados en el aislamiento
- Formación de carbono y/o cortocircuito en camadas conductivas
CONTROL ELÉCTRICO:
- Descargas parciales
- Alteración de la corriente y tangente delta
● FALLO 6º.-
Elevadas variaciones de temperatura en componentes del aislador pasante
CAUSAS:
- Coeficientes de expansión térmica diferentes en los
componentes del aislador pasante
- El enfriamiento rápido puede crear burbujas de
aire y/o gas en el aceite
EFECTOS:
- Ciclos térmicos frecuentes conducen al deterioro excesivo y comprometen la estanqueidad
- Consecuente pérdida de aceite y/o aporte de agua y/o humedad
- Daños en aislamiento de papel y posible corrosión en la cámara del TAP
CONTROL ELÉCTRICO:
- Elevación de la tangente delta
- Aumento de descargas parciales
- La tangente delta se torna sensible a la temperatura
En cada caso, es frecuente la aparición de puntos
calientes que aceleran el envejecimiento de las juntas y sellos, por lo que es
conveniente realizar termografías periódicas sobre todo cuando se aumente carga
al transformador.
2.- REGULADOR EN CARGA (OLTC)
El regulador en carga (OLTC) es el componente del transformador
donde se desarrollan mayores esfuerzos eléctricos y donde se acumula la mayor
contaminación. La disipación de energía por descargas y extinción del arco
eléctrico en el ruptor generan carbón y gases que degradan el aceite.
La carbonización de los contactos y la degradación del aceite son el principal
motivo de los fallos que afectan a los reguladores en carga.
Avería en regulador en carga
La evolución
de la carbonización de los contactos comprende las siguientes etapas:
- Aparición de calentamientos
localizados con temperaturas superiores a los 200 ºC.
- Recubrimiento de los contactos
con una capa de carbón microporo.
- Reducción de la capacidad de
transferencia de calor de los contactos e incremento de la temperatura.
- Aceleración de las dos primeras
etapas.
FALLOS EN
REGULADORES EN CARGA, EFECTOS Y CONTROL.-
Modo de fallo:
Existencia de
una fuente de alta contaminación y esfuerzos eléctricos, descargas y extinción
de arco eléctrico producto de la disipación de energía en el interior del
ruptor.
Posibles
causas:
- Generación de gran cantidad de
carbón, agua y gases.
- Reducción de la capacidad de
transferencia de corriente del contacto e incremento de la temperatura.
Efectos:
- Aparición de
sobrecalentamientos localizados con temperaturas superiores a 200 ºC.
- Degradación del aceite
generando subproductos que se acumulan sobre la superficie de los componentes y
contactos ubicados en el interior.
Controles y pruebas:
- Realizar pruebas al aceite según el número de maniobras realizadas.
- Filtrado on-line del aceite del regulador
- Resistencia estática y dinámica del devanado en cada una de las tomas del regulador.
- Programación del mantenimiento del conmutador para realizar, según el caso, el cambio de contactos, cambio de resistencias de transición, cambio total del aceite, lavado y limpieza general.
3.-
ARROLLAMIENTOS
La mayoría de
las averías en la parte activa ocurren en los arrollamientos cuando por
condiciones de cortocircuitos ejercen fuerzas axiales a través de una presión
para desplazar de forma telescópica las bobinas del primario y del secundario,
las que se repelen una de la otra debido a que las líneas eléctricas centrales
no están alineadas.
Avería en los arrollamientos de AT.
También
existen fuerzas radiales que tratan de desplazar las bobinas del primario y del
secundario ocasionando que se fracture el aislamiento y falle el transformador.
Esta ocurrencia de averías es creciente y están asociadas a la antigüedad del
aislamiento, en tales condiciones ante un cortocircuito se originan esfuerzos
electrodinámicos que debido a su antigüedad los arrollamientos no pueden
soportar.
Durante el funcionamiento los transformadores de potencia están
sujetos a esfuerzos térmicos, eléctricos y mecánicos, los cuales provocan
cierta degradación en el sistema aislante. Las causas principales del fenómeno
de degradación del sistema aislante son la temperatura excesiva, el oxígeno, y
la humedad combinadas con los esfuerzos eléctricos, los cuales actúan como
acelerador del proceso de degradación”. Las causas secundarias que aceleran el
envejecimiento del sistema aislante son los esfuerzos mecánicos, los ácidos y
lodos. Un exceso de cualquiera de estos esfuerzos puede acelerar el proceso de
degradación. Estos fallos algunas veces ocurren sin ninguna alarma o señal de
que un problema se está originando.
Pero en otras ocasiones existen pequeños indicios que indican la presencia de
agentes perjudiciales o de deterioro y son detectables en los análisis
periódicos al aceite aislante, en las mediciones de las pruebas eléctricas y en
las mediciones de las descargas parciales. La detección oportuna de estos
indicios puede ser la diferencia entre someter el transformador a una
reparación, sustituir una pieza dañada o tener un equipo averiado con todos los
graves problemas que esto ocasiona.
FALLOS EN LOS ARROLLAMIENTOS, EFECTOS Y CONTROL
Modo de fallo:
- Sobretensión, Sobrecarga, Cortocircuitos, Cortocircuitos entre espiras, Descargas parciales,
- Corrosión.
Posibles
causas:
Sobretensiones
producidas por operación del sistema o descargas atmosféricas, sobrecargas no
admisibles, circulación de elevadas corrientes provocadas por fallos externos
al transformador.
Efectos:
- Pérdidas de energía, aumento de
las corrientes de fuga (superficial y volumétrica) que desencadenan y aceleran
los procesos de envejecimiento, formación de gases disueltos, descomposición
del aislamiento sólido, fugas de corriente a lo largo de grandes superficies.
- Pueden iniciarse descargas de
arco eléctrico o producirse la avería.
- Deterioro del papel en la zona
superficial en contacto con el aceite.
- Cortocircuitos entre espiras.
Controles y
pruebas:
- Evitar sobrecalentamientos en
las bobinas, monitorear las temperaturas.
- Realizar análisis
físico-químicos y cromatografía de gases del aceite.
- Realizar mediciones de la
resistencia del devanado.
- Realizar mediciones de la
relación de transformación.
4.- NÚCLEO
MAGNÉTICO
Los defectos
en el circuito magnético suelen producirse como resultado del deterioro del
aislamiento entre chapas producido por un incremento excesivo de temperatura
Estos incrementos pueden estar producidos por una condición de sobrecarga, por
la presencia de armónicos, o por sobretensiones o disminuciones de frecuencia
que den lugar a una saturación de flujo magnético.
FALLOS EN EL
NÚCLEO MAGNÉTICO:
- Aislamiento deficiente de los
tornillos de apriete del núcleo
- Canal de enfriamiento de aceite
obstruido
- Contacto a tierra defectuoso
- Aumento de las pérdidas en
vacío
- Aumento del ruido
CAUSAS Y SUS
EFECTOS:
- Carga excesiva,
- Calentamiento excesivo del núcleo,
- Pérdida de aislamiento entre láminas,
- Aflojamiento de los yugos,
- Sobreflujo, es un fenómeno que corresponde a la explotación del transformador a una tensión anormalmente elevada que genera pérdidas excesivas en el hierro (incluso estando trabajando en vacío) causando calentamientos importantes y armónicos que presuponen riegos de resonancia.
Este problema suele producirse mucho en la práctica cuando los transformadores están dispuestos en una toma de regulación inferior a la que verdaderamente le corresponde o bien cuando las tensiones de la red se elevan notablemente en épocas de poca carga (noches o fines de semana).
Cuando la frecuencia de la red es inferior a la frecuencia que ha sido determinada en el dimensionado del transformador, se produce sobre inducción, con las mismas consecuencias que precedentemente.
- Los armónicos de tensión, por ejemplo, causados por la alimentación de convertidores.
- La saturación magnética debida a pequeñas componentes de corriente continua circulando por los arrollamientos.
La saturación completa del circuito magnético se obtiene en la práctica por la circulación de componentes continuas de valor igual a 3 veces la corriente en vacío del transformador. La corriente en vacío es aproximadamente el 1% de la corriente nominal del transformador, por lo que una componente continua de aproximadamente el 3% de la corriente nominal en vacío, saturará completamente el circuito magnético.
La presencia de corriente continua en el arrollamiento de un transformador produce una fuerte disminución de la impedancia magnetizante y la posibilidad de resonancia eléctrica interna de los arrollamientos.
Otros efectos
consecuencia de los anteriores serían:
- Deterioro del aceite y los
materiales aislantes.
- Rotura de los terminales de los
arrollamientos.
- Los cortocircuitos producidos
aguas abajo del transformador pueden provocar desplazamientos del núcleo y la
rotura de los pernos de sujeción.
ENSAYOS:
Ruido:
- Realizar pruebas periódicas de
ruido teniendo en cuenta la hora y la carga en el momento de la prueba.
Corriente de excitación:
Este ensayo es muy útil para detectar daños en la estructura magnética,
(también en el aislamiento entre espiras o defectos en el conmutador). Estos
defectos provocan cambios en la reluctancia efectiva del circuito magnético,
modificando la corriente requerida para forzar un flujo dado a través del
núcleo.
La prueba consiste en aplicar un nivel de tensión del lado de alta tensión y
medir el valor de la corriente, para compararlo con ensayos anteriores.
FRA (Análisis
de Respuesta en Frecuencia):
Se utiliza
normalmente para detectar, si el conjunto del núcleo y el devanado han cambiado
eléctrica o geométricamente debido a una fallo de cortocircuito o una
reubicación, es una técnica de diagnóstico que consiste en medir la impedancia
del devanado de un transformador ó autotransformador, a través de un amplio
rango de frecuencias, con la principal intención de detectar deformación en
éstos, a través de cambios resultantes en sus capacitancias e inductancias.
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