Análisis de Respuesta en Frecuencia en Transformadores (FRA)

El análisis de respuesta en frecuencia (FRA), es una técnica de diagnóstico que consiste en medir la impedancia del devanado de un transformador ó autotransformador, por medio de un amplio rango de frecuencias, con la principal intención de detectar deformaciones en éstos a través de los cambios resultantes en sus capacitancias e inductancias. Estas mediciones se llevan a cabo mediante la aplicación de una metodología denominada SFRA o Barrido de Frecuencia (Sweep Frequency Response Analysis). El SFRA como técnica de diagnóstico se compone de mediciones off-line y de interpretación de los registros para dar una valoración adecuada del estado del núcleo y los devanados del transformador.

El principal interés de las mediciones FRA en transformadores es la de detectar deformaciones en los devanados que puedan haber resultado como consecuencia de las fuerzas electromagnéticas que se desarrollan dentro del transformador como consecuencia de cortocircuitos, fallos en el conmutador en carga, fallos de sincronización, etc.

Otra de la aplicaciones de la técnica de medición FRA es la de verificar la integridad mecánica de un transformador después del transporte, lo que brinda una herramienta confiable para confirmar que el núcleo, los bobinados y estructuras de sujeción no sufrieron ningún daño mecánico debido a las sacudidas durante el transporte.

Debido a que las mediciones de FRA ofrecen información acerca de la consistencia geométrica de la estructura del bobinado y el núcleo, estos ensayos pueden ser utilizados como controles para el aseguramiento de la calidad.

La comparación con otras técnicas de diagnóstico han demostrado que las ventajas principales del FRA son su sensibilidad a una variedad de fallos de los devanados y una menor dependencia de mediciones previas de referencia, en cambio, es necesaria una metodología de interpretación sistemática y objetiva.

A continuación se presenta en la tabla 1 algunas ventajas e inconvenientes de las principales técnicas de medición utilizadas para detectar dichas alteraciones en las partes activas de los transformadores:

Técnica de diagnóstico	Ventajas	inconvenientes
Corriente de magnetización (excitación)	·   Requiere de un equipo relativamente simple · Puede detectar daños en el núcleo	· No es muy sensible a la deformación de los devanados · La medición es fuertemente afectada por la magnetización residual del núcleo
Impedancia de cortocircuito (reactancia de fuga)	· Método tradicional. Frecuentemente especificado en los ensayos de cortocircuito de las normas internacionales · Los valores de referencia están disponibles (placa característica)	· La sensibilidad es limitada para algunos tipos de fallo (mejor para deformaciones radiales)
Capacitancia entre devanados	· Puede ser más sensible que las mediciones de impedancia	· La sensibilidad es limitada para algunos modos de falla (mejor para deformación radial) · Capacitancias relevantes no pueden ser medidas (devanados serie/común de autotransformadores)
Impulso a bajo voltaje “LVI” (en el dominio del tiempo)	· Reconocida como muy sensible	· Requiere de un equipo especialista · Difícil de lograr repetitividad · Difícil de interpretar
Análisis de respuesta en frecuencia “FRA”	· Mejor repetitividad que LVI con la misma sensibilidad · Más fácil de interpretar que LVI (dominio de la frecuencia en vez del tiempo)	· Se requiere normalizar la  técnica · Se requiere una guía para su interpretación

Tabla 1: Comparación de técnicas de diagnóstico de deformación de devanados 

Para resumir, la mayoría de las técnicas alternativas tienen el inconveniente de falta de sensibilidad, falta de resultados de referencia, o ambos. Las ventajas clave del FRA son su sensibilidad probada a una gran variedad de defectos en los bobinados, y además, en la mayoría de los casos es suficiente la comparación de medidas entre bobinas de distintas fases cuando no se disponen de resultados históricos o de referencia. 

Obviamente, sería preferible si varias técnicas proporcionarán indicaciones complementarias, pero la experiencia demuestra que esto no siempre es posible. 

Barrido de Frecuencia 

Los transformadores representan circuitos eléctricos con elementos inductivos, resistivos y capacitivos entre devanados, entre espiras de un mismo devanado, entre los devanados, así como entre estos y el núcleo y el tanque, tal como se muestra en la figura 1

Figura 1: Efectos inductivos, resistivos y capacitívos en un transformador.

La presencia de estos elementos RLC da lugar a que existan un gran número de frecuencias de resonancia en el conjunto del transformador. Esta prueba aprovecha esta disposición del transformador e inyecta una señal de baja tensión pero con un barrido de frecuencias que varía entre 20 Hz y 2 MHz en un terminal de un bobinado y transformadores de medida de la señal en otro terminal (figura 2), en cada bobinado inyectado se mide la impedancia y se identifica el comportamiento de la misma ante tales frecuencias. 

Figura 2: Principio de funcionamiento SFRA

Las respuestas de frecuencia así obtenidas son únicas, y por tanto, se puede considerar como la huella de identidad del transformador que se está probando.

En la figura 3 se presentan las respuestas de frecuencia obtenidas en las bobinas de baja tensión de un transformador trifásico durante los ensayos de fábrica, en la que se puede comparar la huella digital entre sus tres fases con un solo ensayo, el comportamiento, como es de esperar, es similar y coincidente (señales amarilla, roja y azul) en las tres fases.

Figura 3: Ejemplo de la huella digital de las bobinas de BT de un transformador trifásico obtenidas en fábrica (FAT) y que han de servir como referencia para los ensayos posteriores de campo (SAT)

Cambios geométricos dentro y entre los elementos del transformador provocan desviaciones en las respuestas de frecuencia. Las diferencias entre una huella digital FRA y el resultado de una medición real indican variaciones de posición o defectos eléctricos en los componentes. Diferentes tipos de fallo afectan a diferentes partes de la gama de frecuencias y por ello y en general se pueden distinguir los distintos defectos producidos en el interior del transformador.

Un análisis simplista y rápido lo obtendríamos observando las diferencias entre las curvas teniendo en cuenta la zona en que se producen (figura 4).

• En baja frecuencia (<10KHz) se manifiestan con más claridad indicios de cortocircuito entre espiras, puntos calientes, problemas en el núcleo.
• En media frecuencia (10KHz - 300KHz) se manifiestan indicios de deformación en los bobinados.
• En alta frecuencia (300KHz - 2MHz) son representadas roturas de sujeciones, deformaciones de bobinados, modificaciones de la estructura mecánica.

Figura 4: Análisis y comparación del SFRA

Una conclusión comúnmente aceptada (conforme a la experiencia) es que los desvíos en frecuencia (incluso los más pequeños) entre respuestas comparadas de FRA es un indicador de condiciones serias de fallo. Otra conclusión es que diferencias de atenuación menores a 3 dB son normalmente debidas a causas poco relevantes y no una indicación de daño serio.

La realización de análisis más profundos es posible gracias a la ayuda de software que utilizan soluciones matemáticas para comparar los trazos basándose en la norma china DL 911/2004, actualmente es la única norma que puede utilizarse como base de datos.

NOTA: 

Normativa aplicable: IEC 60076-18 (2012) , UNE EN 60076-18 (2012)

Ejemplos de Resultados FRA 

A continuación se incluyen tres ejemplos con objeto de ilustrar las posibilidades de las mediciones FRA. 

En primer lugar, se comparan las fases de alta tensión de un transformador de 36 años (40 MVA) tras una reforma (figura 5). Ambas trazas (huella en azul y medida en rojo) muestran gran coincidencia en sus alineaciones. La evaluación de acuerdo con el estándar chino confirma esta evaluación (resultados del software en verde).

Figura 5: Los resultados de las medidas SFRA confirman la coincidencia de ambas trazas 

En el segundo ejemplo se muestran los resultados de las pruebas de los bobinados centrales de AT de dos transformadores gemelos de 63 MVA. Tras un ensayo dieléctrico con resultados dudosos en uno de los transformadores, se detectó claramente en una medición SFRA, que la razón de tal problema resulto ser varias espiras cortocircuitadas. 

La traza en rojo (figura 6) presenta gran desviación con la azul de referencia indicando un grave problema (confirmación de resultados del software en rojo).

Figura 6: Fallo claramente identificado en la medida SFRA

En el tercer ejemplo se muestran las diferencias entre las trazas de la huella digital de un transformador y la medida FRA después de su transporte manifestando que se han producido deformaciones mecánicas (Figura 7).

Figura 7: Deformaciones mecánicas diagnosticadas mediante SFRA antes de poner el Transformador en servicio

Figura 8: Tras la comparación entre los valores de las capacitancias en fábrica y en campo también se detecta el problema

Principales tipos de ensayo FRA (Transformador estrella-triángulo)

Figura 9: Posibles formas de medir la respuesta en frecuencia FRA en un transformador con 2 devanados. (a) Medición con el secundario en vacío o abierto, (b) medición con el secundario en corto circuito, (c) medición con el secundario en corto circuito y a tierra.

Ensayo: De extremo a extremo (abierto)

En este tipo de ensayo la señal se aplica entre los extremos o terminales de un mismo devanado, con todos los demás terminales flotantes (figura 10).

Figura 10: Conexión final con final (abierto)

Aquí la impedancia de magnetización del transformador es el parámetro principal caracterizando la respuesta en baja frecuencia (debajo del primer punto de resonancia). Es el test más utilizado por su simplicidad, permite examinar cada bobinado por separado.

Figura 11: Ejemplos de mediciones extremo a extremo (266 MVA, 420/√3/21/21 kV)

Ensayo: De extremo a extremo (cortocircuitado)

Este ensayo es similar a anterior, en este caso, se realiza entre los extremos o terminales de un mismo devanado, mientras el devanado de baja tensión está cortocircuitado (figura 12).

Figura 12: Conexión final con final (cortocircuitado)

Esta medición permite que la influencia del núcleo se mueva hacia abajo entre 10 y 20 kHz ya que la respuesta en baja frecuencia se caracteriza por la inductancia de pérdidas en vez de la inductancia de magnetización. La respuesta en altas frecuencias es similar a la obtenida con el método anterior.

Este ensayo es de especial interés cuando se quiere obtener información relacionada con la impedancia de pérdidas a baja frecuencia o cuando se quiere resolver dudas acerca del análisis de la influencia del núcleo cuando hay presencia de magnetismo residual.

Figura 13: Comparación de las pruebas en alta tensión de extremo a extremo 'abiertas' y en 'cortocircuito' (266 MVA, 420/√3/21/21 kV)

Ensayo: Capacitivo entre bobinados

La señal se aplica a un extremo de un bobinado y la respuesta se mide en el final de otro bobinado en la misma fase (figura 14). Por definición, este tipo de ensayo no se puede realizar entre los bobinados serie y comunes de los auto transformadores.

Figura 14: Conexión capacitíva entre bobinados

La respuesta en esta conexión es dominada en bajas frecuencias por la capacitancia entre bobinados.

Figura 15: Ejemplo de ensayo capacitivo entre bobinados de alta y baja (266 MVA, 420/√3/21/21 kV)

Ensayo: Inductivo entre bobinados

La señal se aplica al terminal del lado de alta tensión y la respuesta se mide en el terminal correspondiente en el lado de baja tensión, con la otra punta de ambos bobinados puestos a tierra (figura 16).

Figura 16: Conexión inductiva entre bobinados

Figura 17: Ejemplo de ensayo inductivo entre bobinados de alta y baja (266 MVA, 420/√3/21/21 kV)

RECOMENDACIONES

En el momento de realizar una prueba de FRA, se deben mantener las mismas condiciones del ensayo anterior (referencia), es decir, posición del cambiador de tomas, tipo de prueba aplicada, equipo de prueba utilizado, conexiones entre los terminales del transformador y el equipo de medición, la técnica de puesta a tierra, etc. Esto con la finalidad de lograr la mejor repetitividad de los resultados y una correcta interpretación de los mismos. 

Figura 18: Vista esquemática del conexionado y de pinzas para conexionado 

Se debe lograr que la extensión de los cables de prueba sea lo más corta posible, de manera que la característica inductiva de los mismos no afecte la medida.

Si la prueba de FRA se va aplicar sobre un devanado de regulación, el cambiador de tomas debe colocarse en la posición de mayor regulación, para de esta manera estandarizar todas las mediciones considerando el devanado completo. 

Para permitir la puesta a tierra de las pantallas del cable coaxial en la carcasa del transformador, que es el potencial de referencia, se necesita una conexión adicional entre el adaptador del terminal y la cuba del transformador. Una mala técnica de puesta a tierra puede causar resultados del SFRA irreproducibles y, por tanto, inútiles.

   Figura 19: Influencia de la puesta a tierra

Para poder conseguir las mejores mediciones de SFRA posibles, las conexiones a tierra deben tener la inductancia más baja y una gran superficie. Por eso se recomienda el uso de trenzados planos (20 mm ancho mínimo), que son menos sensibles a las interferencias y hacen que la medición sea independiente del posicionamiento del cable.

Se debe tener especial cuidado en el momento de realizar las conexiones entre los cables de prueba y los terminales de los bushings del equipo a probar (transformador/autotransformador), con el fin de que los valores obtenidos en la medición de SFRA no se vean afectados por malas conexiones (figura 20).

Los trenzados de tierra deben discurrir siempre de forma ajustada a lo largo del cuerpo de las bornes para eliminar toda influencia del sistema de puesta a tierra en los resultados de la medición. Esto se garantiza mediante pinzas de tornillo que siempre conectan los trenzados de tierra con la longitud ideal a la base de la borna. Solo usando esta configuración es posible cumplir las estrictas demandas de los técnicos de todo el mundo que exigen una “extensión de tierra lo más corta posible y con el bucle más pequeño que pueda conseguirse”.

Figura 20: Conexiones en los terminales de bushings y pinzas de tornillo en las conexiones

REFERENCIAS:

CIGRE: Mechanical-condition assessment of transformer windings Using frequency response analysis (FRA), April 2008.

OMICRON: FRAnalyzer – Diagnostico fiable del núcleo y devanados de transformadores de potencia

MEGGER: Análisis de la Respuesta de Barrido de Frecuencia

VIDEO:

https://www.youtube.com/watch?v=WNpxIMG2zO4

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http://www.mediafire.com/download/r329oga58mlj47u/An%C3%A1lisis_de_respuesta_en_frecuencia.pdf