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jueves, 24 de septiembre de 2015

Localización y origen de averías en Transformadores de Potencia


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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